Введение к работе
Актуальность работы. При прямом асинхронном пуске синхронного двигателя в цепи статора возникают ударные токи, которые могут превосходить номинальные в 7-14 раз. Эти броски тока вызывают большие электромагнитные и механические ударные нагрузки на двигатели и исполнительные механизмы. Многократные ударные нагрузки приводят к выходу из строя дорогостоящего технологического оборудования и к значительным затратам на его ремонт. Кроме того, прямой пуск высоковольтного электродвигателя большой единичной мощности, сопровождаемый протеканием пусковых токов, сравнимых по величине с токами короткого замыкания, приводит к глубоким посадкам напряжения питающей сети при каждой операции пуска, что отрицательно сказывается на устойчивости работы других потребителей.
Большие пусковые токи, потребляемые электродвигателями в момент их пуска, и связанные с этим глубокие посадки напряжения существенно усложняют, а в ряде случаев делают невозможным пуск таких двигателей в случае их электроснабжения от газотурбинных, дизельных или иных электростанций ограниченной мощности. В связи с этим персонал предприятий, эксплуатирующий высоковольтные электродвигатели, старается обеспечивать их работу без остановок, возможно более длительное время, даже когда по технологии нет потребности в их работе. А это в свою очередь приводит к значительному перерасходу электроэнергии.
При внедрении систем плавного пуска повышается надежность работы агрегатов и систем их электроснабжения, так как исключаются механические электромагнитные и гидравлические ударные нагрузки. Обеспечивается возможность запуска электродвигателей большой единичной мощности от газотурбинных и дизельных электростанций ограниченной мощности. Увеличиваются сроки службы агрегатов с высоковольтным приводом и длительность межремонтных промежутков, исключаются глубокие просадки напряжений сети в режиме пуска двигателя, что обеспечивает надежное электроснабжение других потребителей электроэнергии подключенных к сети.
На сегодняшний день плавный пуск синхронных двигателей чаще всего осуществляется с отключенной обмоткой возбуждения, при этом используются все способы пуска, применяемые для асинхронных двигателей. Наиболее распространенным способом является плавное повышение напряжения на статоре, с помощью различных регуляторов напряжения. Основным недостатком этого способа является значительное снижение пускового момента, кроме того, возникают сложности в синхронизации с сетью при достижении около-синхронной частоты вращения. Единственным способом, позволяющим осуществить плавный пуск синхронного двигателя с подключенной обмоткой возбуждения, без значительных бросков тока, является частотный пуск. Однако техническая реализация данного способа затруднена высокой стоимостью преобразователей частоты, особенно высоковольтных. Стоимостные и массогабаритные показатели источника питания (выпрямитель-инвертор) могут быть экономически оправданы только со стороны ограничений технологического процесса, в котором принимает участие конкретный синхронный двигатель.
Интерес представляет векторно-импульсный способ пуска, заключающийся в том, что статор двигателя подключают к сети импульсно, когда вектора потокосцеплений ротора и статора занимают в пространстве определенное взаимное положение. Подробные исследования этого способа, позволяющие реализовать его на практике, не проводились. Поэтому задача решения проблемы плавного пуска мощных синхронных двигателей простыми техническими средствами, на основе способа векторно-импульсного управления, поставленная в диссертационной работе, является актуальной.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка конкурентоспособных, малогабаритных устройств плавного пуска, обеспечивающих пуск мощных синхронных электродвигателей с заданным темпом разгона, пусковым моментом близким к номинальному и регулируемым ограничением тока.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:
- исследование существующих способов плавного пуска синхронных электродвигателей и особенностей векторно-импульсного способа пуска;
- разработка математической модели синхронного двигателя в режиме векторно-импульсного управления, исследование динамических режимов пуска методами математического моделирования;
- определение оптимального момента и длительности включения синхронного двигателя для получения электромагнитного момента, требуемой величины и знака;
- разработка принципов построения и вариантов реализации системы векторно-импульсного управления пуском синхронного двигателя;
- проведение теоретических и экспериментальных исследований разработанной системы электропривода.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием аналитических и численных методов решения алгебраических уравнений и систем дифференциального и интегрального исчисления, методов структурного моделирования. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программных модулей для пакета визуального программирования SIMULINK математического пакета MATLAB R2007b. Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях на специально созданной экспериментальной установке путем прямого осциллографирования основных параметров с последующей их обработкой.
Научная новизна разработок заключается в разработке устройства плавного пуска с принципиально новой системой управления, реализующей векторно-импульсный способ пуска.
Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены основные зависимости и способы управления координатами синхронного электродвигателя при векторно-импульсном управлении.
Предложено математическое описание, разработаны структурные схемы и создан программный продукт для моделирования работы синхронного электродвигателя в режиме векторно-импульсного пуска.
Разработана система управления, обеспечивающая определение положения вектора потокосцепления ротора и подключение обмоток статора к сети в требуемые моменты времени в режиме широтно-импульсной модуляции, за счет чего обеспечивается положительный электромагнитный момент и ограничение тока статора на заданном уровне.
Теоретически и экспериментально доказано, что предложенная система управления обеспечивает плавный пуск синхронного двигателя с подключенной обмоткой возбуждения и последующей самосинхронизацией с сетью, причем среднее значение электромагнитного момента синхронного двигателя при векторно-импульсном пуске значительно больше, чем при асинхронном пуске от регулятора напряжения.
Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований:
- разработано устройство плавного пуска синхронных электродвигателей, обеспечивающее изменяемый темп разгона, пусковой момент близкий к номинальному и регулируемое ограничение тока. Простота предложенной силовой схемы позволяет реализовывать малогабаритные и недорогие устройства плавного пуска, в том числе и для высоковольтных синхронных двигателей;
- разработанная система автоматизированного электропривода опробована на экспериментально-промышленной установке устройства плавного пуска синхронного двигателя регулируемого электропривода роликовых печей листопрокатного цеха №1 ОАО «Уральская Сталь». Доказана возможность осуществления плавного пуска синхронного двигателя с ограничением пусковых токов и снижением нагрузки на питающую сеть.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов математического моделирования, применением классических методов теории электропривода и теории автоматического управления, практической реализацией и экспериментальными исследованиями разработанной системы электропривода в промышленных условиях.
К защите представляются следующие основные положения:
1. Основные закономерности для определения оптимального момента и длительности подключения статора синхронного двигателя к сети при векторно-импульсном управлении.
2. Алгоритм определения положения ротора синхронного двигателя по величинам фазных ЭДС статора, наводимых магнитным полем ротора в неподвижном состоянии в момент подачи тока возбуждения на ротор.
3. Принципы построения системы управления пуском синхронного двигателя, работающей по алгоритму векторно-импульсного управления с широтно-импульсной модуляцией.
4. Математическая модель системы векторно-импульсного управления, учитывающая условия коммутации управляющих элементов силовых ключей.
5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанного устройства плавного пуска.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (г. Екатеринбург, 2009 г.); на межрегиональной научной конференции молодых ученых и аспирантов «Наука и производство Урала» (г. Новотроицк, 2007-2009 г.г.); на научно-технических семинарах кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники (2007-2009 г.г.); 67-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2008-2009 г.г. (МГТУ, апрель 2009 г.) и на расширенном заседании кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники ГОУ ВПО “Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова” (май 2010 г.).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 9 печатных трудах, в т.ч. одна статья в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендованном Высшей аттестационной комиссией Минобразования России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 70 наименований и 1 приложения. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, в том числе 60 рисунков и 7 таблиц.
