Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов испытаний асинхронных электродвигателей 10
2. Выбор исходной математической модели асинхронного электродвигателя 16
3. Определение электромагнитных параметров асинхронного двигателя по данным динамических режимов работы 23
3.1. Синтез алгоритма определения электромагнитных параметров ... 23
3.2. Исследование алгоритма 34
3.3. Анализ вычислительных погрешностей 38
3.4. Сравнительный анализ алгоритмов определения параметров АД 50 Выводы и результаты по главе 55
4. Погрешности при автоматизированных испытаниях асинхронных электродвигателей 57
4.1. Первичная обработка данных 57
4.2. Погрешности при определении потокосцеплений статора 64
4.3. Погрешности при вычислениях в роторной цепи 70
Выводы и результаты по главе 72
5. Определение момента инерции ротора асинхронного электродвигателя 73
5.1. Общие положения 73
5.2. Теоретическое обоснование метода 74
5.3. Практическая реализация метода 77
Выводы и результаты по главе 83
6. Определение активного сопротивления статора асинхронного электродвигателя 85
6.1. Общие положения 85
6.2. Прямой метод определения активного сопротивления статора... 85
6.3. Итерационный метод определения активного сопротивления статора 89
6.4. Интегрирующий метод определения активного сопротивления статора 91
Выводы и результаты по главе 95
7. Определение параметров кривой намагничивания асинхронного электродвигателя 96
7.1. Статический способ определения параметров кривой намагничивания 97
7.2. Динамический способ определения параметров кривой намагничивания 99
Выводы и результаты по главе 103
8. Практическая реализация высокопроизводительного комплекса оценки качества асинхронных электродвигателей 104
8.1. Описание структуры комплекса 104
8.2. Режимы работы комплекса 109
8.2.1. Получение исходных данных 110
8.2.2. Предварительная обработка исходных данных 114
8.2.2.1. Масштабирование исходных данных 115
8.2.2.2. Координатные преобразования 119
8.2.2.3. Поиск точки начала переходного процесса пуска АД. 121
8.2.3. Определение параметров АД 123
8.2.4. Расчет статических характеристик и показателей качества АД 124
8.3. Примеры 135
Выводы и результаты по главе 138
Заключение 139
Список литературы 141
Приложение 1 150
Приложение 2 155
Приложение З 168
- Выбор исходной математической модели асинхронного электродвигателя
- Синтез алгоритма определения электромагнитных параметров
- Погрешности при определении потокосцеплений статора
- Теоретическое обоснование метода
Введение к работе
Актуальность работы. Эффективная работа горных предприятий во многом определяется технико-экономическими показателями применяемых горных машин. Специфика эксплуатации горных машин с электроприводами, использующими асинхронный электродвигатель (АД) с короткозамкнутым ротором, выдвигает особые требования к показателям качества электродвигателей, таким как, например, К.П.Д., коэффициент мощности, максимальный момент, начальный пусковой момент, начальный пусковой ток. Эти показатели влияют на эффективность работы скребковых конвейеров, у которых очень важно обеспечить идентичность характеристик всех АД. В приводах проходческих и очистных комбайнов необходим контроль за параметрами электродвигателей, поскольку именно они определяют величины нагрузок в трансмиссиях горных машин.
Таким образом, при эксплуатации АД в конкретных приводах горных машин информация о показателях качества необходима, например, для определения условий оптимального использования АД; для оценки состояния АД в период эксплуатации с целью возможной подналадки технологического процесса эксплуатации; при использовании АД в системах регулируемых электроприводов; для определения момента прекращения эксплуатации АД и др. целей.
Эти требования диктуют необходимость знания показателей качества электродвигателя, его эксплуатационных характеристик, основой для получения которых является или опыт или информация о значениях параметров АД.
Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором -один из наиболее массовых и важных видов электромеханических преобразователей энергии в горной промышленности. Вместе с тем, производство и ремонт АД на горных предприятиях не сопровождается оценкой качества каждого выпускаемого (ремонтируемого) двигателя. Оценка показателей качества работы конкретных АД в горной промышленности практически не производится.
Причины такой ситуации известны. Во первых, это отсутствие возможности прямого измерения электромагнитных параметров двигателя, таких как активное и реактивное сопротивление ротора, индуктивное сопротивление цепи намагничивания. Во вторых, существенная зависимость параметров асинхронного электродвигателя с короткозамк-нутым ротором, используемого в горной промышленности, от режима его работы.
В настоящее время процедуры всех видов испытаний электрических машин регламентированы соответствующими стандартами [82-86]. Следует отметить, что алгоритмы обработки регистрируемой информации этих видов испытаний достаточно просты. Однако, на практике они обладают целым рядом недостатков, например,;
низкой производительностью, связанной с большим временем проведения испытаний. Так, средние нормы времени на проведение приемо-сдаточных испытаний одного электродвигателя средней мощности составляют от 3 до 35 час. [78] в зависимости от глубины их проведения ;
высокой себестоимостью проведения испытаний. Так, например, для определения зависимости вращающего момента от угловой скорости вращения ротора электродвигателя (см.рис.8.19) по существующим стандартам [83] требуется дорогостоящее силовое оборудование (см.рис.1.1);
Выбор исходной математической модели асинхронного электродвигателя
Расчетные методики могут предусматривать определение только части параметров АД, предполагая остальные неизвестными. Например, в [10, 51] определяются индуктивности рассеяния роторной цепи и индуктивность цепи намагничивания двигателя. Исходной информацией являются ток и напряжение фаз статора. Индуктивность рассеяния и активное сопротивление статора определяются из опыта х.х., а активное сопротивление ротора - по данным опыта к.з. Рассматривается установившийся режим работы двигателя. Методикой расчета, как уже говорилось, предусматривается определение только индуктивностей. Полученные результаты можно считать справедливыми лишь для одной рабочей точки или области (номинальной) характеристики АД, поскольку не учитывается изменение активного сопротивления ротора при глубоком изменении скорости вращения ротора.
В работе [52] целью является не определения параметров в формулировке [50], а определение мгновенных значений величины потока машины как для установившихся, так и для переходных режимов работы. Дополнительно определяется мгновенное значение электромагнитного момента машины, мгновенное значение угловой скорости вращения ротора.
Однако, результаты по [52] приближенны, т.к. если в [10, 51] индуктивности рассеяния роторной цепи и цепи намагничивания определялись, то в [52] принимаются известными постоянными величинами.
Следует отметить, что в [10, 51, 52] используется математическая модель АД по [57]. Общим в [10, 51, 52] является подход к построению алгоритма определения параметров - это детерминированная процедура.
Помимо детерминированных процедур определения параметров АД рассмотрены поисковые процедуры, например, [17, 32]. Суть последних заключается в определении итерационных процедур поиска с целью минимизации расхождений между данными эксперимента и расчетом. При этом искомые параметры АД первоначально могут задаваться приближенно, а затем уточняться до значений, обеспечивающих максимальное приближение данных расчета и эксперимента. В [32] на основе использования математической модели АД по [57], электромагнитные параметры АД определяются из опыта х.х. и к.з. При этом делается допущение, что параметры цепи ротора линейно зависят от угловой скорости вращения ротора. Кроме того, в [32] дополнительно экспериментально определяется статическая механическая характеристика двигателя. При этом процедура определения параметров разделяется на три этапа. На первом - определяются приближенные начальные значения искомых параметров и характер их изменения в зависимости от скорости вращения ротора. На втором - снимается статическая механическая характеристика АД. На третьем - реализуется итерационная процедура с целью минимизации отклонения экспериментальной кривой от расчетной.
Одно из направлений определения параметров АД базируется на обеспечении определенных условий питания АД и фиксации происходящих при этом явлений. Так, например, в [26] описывается метод определения параметров АД, основанный на измерениях при постоянном токе, который пропускается через обмотку статора. В [29] также пропускают тестовый сигнал через обмотку статора, регистрируют происходящий процесс, а затем определяют параметры схемы замещения АД. В [46] неподвижный асинхронный двигатель подключают к однофазному источнику питания промышленной частоты, измеряют изменение затухающего напряжения обмотки статора и по полученным данным определяют активные и индуктивные сопротивления обмотки ротора. В методе [58] кроме режима работы под нагрузкой используется режим искусственного несимметричного питания, получаемого путем отключения одной из фаз асинхронного двигателя от источника питания и замыкания ее на нулевую точку источника. Метод позволяет косвенно определить индуктивности статора и ротора, индуктивность цепи на 14 магничивания, приведенное активное сопротивление ротора, относительное скольжение и скорость вращения ротора. Анализируя методы определения параметров АД, можно говорить, что значительная часть их ориентирована на определение параметров в ограниченной области характеристик двигателей. Например, в [25] определяются параметры АД на экспериментальной основе, но без учета насыщения машины. В [26, 46, 58] определяются параметры для ограниченного диапазона изменения скорости вращения ротора, [51, 52] считают постоянными или активное сопротивление ротора, или индуктивности рассеяния ротора и цепи намагничивания. Постоянны параметры цепи намагничивания также в [37]. В [13, 16] все измерения производятся при неподвижном роторе. Аналогичным образом многие системы предусматривают в качестве исходных данных только опыты х.х. и к.з. [24, 34, 37, 44]. Таким образом, значительная часть методов определения параметров АД имеет ограниченный диапазон применения. Другие методы, позволяющие автоматизировать на основе применения ЭВМ стандартизированные испытания, обеспечивают получение результатов с теми же диапазонами, которые определяются соответствующими стандартами [82]. Это системы, описанные в [11, 21, 30, 34, 40]. Еще одна группа методов, основанная на использовании поисковых процедур [17, 32] в аппаратной реализации предусматривает наличие испытательных стендов, достаточно сложной регистрирующей аппаратуры и требует значительного времени для проведения испытаний. Следовательно, проблема проведения экспресс-испытаний асинхронных электродвигателей до настоящего времени полностью не разрешена. В связи с этим можно сформулировать следующие требования к выполнению работы: 1. В процессе испытаний, с целью получения реальной информации о состоянии АД, должно быть обеспечено изменение скорости вращения ротора от нулевого значения до номинального. 2. Во время изменения скорости вращения ротора не должно быть пространственных перемещений корпуса двигателя. 3. Информация о состоянии АД должна получаться минимальным количеством датчиков, которые не должны конструктивно устанавливаться на двигателе. 4. Начальным результатом проведения испытаний должны быть значения электромагнитных и механических параметров АД в полном диапазоне изменения скорости вращения. 5. За время испытаний не должно измениться тепловое состояние двигателя. 6. Время испытания одного двигателя должно быть таким, чтобы оценке подвергался весь объем выпускаемой (ремонтируемой) продукции.
Синтез алгоритма определения электромагнитных параметров
При проведении автоматизированных испытаний асинхронных короткозамкнутых электродвигателей приходиться иметь дело с двумя основными видами ошибок: ошибками, содержащимися в исходной информации и ошибками, обусловленными теми численными методами, которые были использованы для решения задачи.
Ошибки в исходной информации возникают в результате неточности измерений. В реальных условиях, при проведении автоматизированных испытаний АД, в конечных результатах могут присутствовать различного рода погрешности и в том числе обусловленные: - способом определения момента начала пуска АД; - способом фильтрации измеренных данных; - величиной погрешностей измерения при использовании кон кретных аналого-цифровых преобразователей; - количеством измерений в процессе испытаний и др. Для контроля измерительных погрешностей необходимо знать количественное и качественное влияние возникающих измерительных погрешностей на промежуточные и конечный результаты определения электромагнитных параметров АД. С этой целью были проведены вычислительные эксперименты на примере электродвигателя AIM160 Мб. Параметры статорных и роторных цепей этого двигателя (активные сопротивления и индуктивности цепей статора и ротора, индуктивность цепи намагничивания) были получены по результатам статических испытаний АД на испытательном стенде НИИ ВЭМ г.Кемерово и представлены в табл.3.1 и рис.З.2-3.3. Время пуска двигателя /=0.2 сек. Шаг дискретизации измерения входных данных составляет Д/=0.001 сек. Вычислительные эксперименты проводились следующим образом: 1. Моделирование на ЭВМ пуска АД путем решения дифференциальных уравнений, описывающих поведение АД, и получение массивов напряжений (USa, Us$) и токов (/,„, /5р) статора при отсутствии измерительных погрешностей. 2. Определение электромагнитных параметров ротора АД (Rn Lr) по (рис.3.6), используя в качестве входных данных результаты моделирования пуска АД (см п.1). 3. Моделирование погрешности измерения путем внесения соответствующих изменений в массивы напряжений (Usa, 6) и токов (ISa, /др) статора полученных в nl. 4. Определение электромагнитных параметров ротора АД (Rr, Lr) по алгоритму (рис.3.6), используя в качестве входных данных результаты моделирования погрешности измерения полученные в п.З. 5. Сравнительная оценка результатов определения параметров ротора АД по п.2 и п.4. Для моделирования очередной измерительной погрешности необходимо повторить п.3-5. Результаты вычислительного эксперимента по определению электромагнитных параметров при отсутствии измерительных погрешностей (см п. 1-2) представлены на рис.4.1-4.2. В ходе вычислительных экспериментов моделировались следующие вычислительные погрешности: 1. Погрешности при определении начала пуска АД. Рассматривались случаи опережения и задержки начала обработки относительно начала пуска АД. Для случая задержки начала обработки на время дискретизации измерения Д/=0.0001 сек. входные данные подвергались следующим преобразованиям: где С/да, C/fp, 7Ja, 75p - составляющие напряжений и токов статорнои цепи двигателя соответственно по осям аир, полученные из вычислительного эксперимента (идеальный вариант); Usa, Usp, Isa, Isp - составляющие напряжений и токов статорнои цепи двигателя соответственно по осям аир, используемые в расчете при оценке влияния погрешности на результат вычисления электромагнитных параметров АД. Результаты счета при наличии вышеуказанной погрешности приведены на рис.4.3. и рис.4.4. 2. Погрешность, вносимая работой конкретных аналого-цифровых преобразователей. Для этого во входные данные вносились погрешности измерения напряжения статора следующим образом: где к - постоянный коэффициент, определяющий величину погрешности измерения. Результаты счета при наличии пятипроцентной погрешности измерения напряжения статора (=1.05) представлены на рис.4.5. и рис.4.6.
Погрешности при определении потокосцеплений статора
Длительность первого режима определяется промежутком времени от момента пуска двигателя путем прямого включения в сеть до момента окончания переходного процесса в двигателе, т.е., когда co=const. Это время отсчитывается таймером 17, который выдает сигнал об окончании работы устройства в первом режиме и переключении устройства во второй режим.
В первом режиме работы происходит следующее. При подаче напряжения на двигатель с помощью датчиков напряжения 3,4 и тока 1,2 измеряют мгновенные значения напряжений и токов в питающей сети. Затем их выходные сигналы подают на входы координатных преобразователей напряжения 5 и тока 6, преобразующих измеряемые величины из координатной системы А, В, С в систему ссД
С выходов координатных преобразователей 5,6 сигналы подаются соответственно на входы блоков памяти 7,8, где осуществляется запись сигналов в течении всего переходного процесса.
Второй режим работы устройства- режим определения углового коэффициента зависимости момента сопротивления от угловой скорости вращения ротора начинается с появлением управляющего сигнала (Чтение) на выходе таймера 17. Этот сигнал поступает на вторые управляющие входы блоков памяти 7,8. По этому сигналу блоки памяти 7,8 начинают формировать на выходе сигналы в той последовательности, в какой они поступали на основные входы в течении первого режима работы устройства. С выходов блоков памяти 7,8 сигналы токов и напряжений статора подаются на входы интегрирующего формирователя по-токосцеплений статора 9, который осуществляет формирование пото-косцеплений статора. С выхода интегрирующего формирователя потокосцепления статора 9 и блока памяти 7 (ток статора) сигналы подают на входы блока определения величины электромагнитного момента на валу двигателя 10.
С выхода блока 10 сигнал подается на вход блока определения значения углового коэффициента момента сопротивления 11. Так как истинное значение углового коэффициента момента сопротивления появляется на выходе блока 11 при достижении двигателем установившегося режима работы, то истинная информация на выходе блока 11 фиксируется в ячейке памяти 12 управляющим сигналом (Запись2), поступающим с выхода таймера 17.
Третий режим - режим уточнения момента инерции ротора начинается с появлением управляющего сигнала (Чтение) на выходе таймера 17. Этот сигнал поступает на вторые управляющие входы блоков памяти 7,8. По этому сигналу блоки памяти 7,8 начинают формировать на выходе сигналы в той последовательности, в какой они поступали на основные входы в течении первого режима работы устройства. Далее, с помощью блоков 9, 10, 13, 14, 15 осуществляется вычисление момента инерции ротора. Так как уточненное значение момента инерции появляется на выходе блока 15 при достижении двигателем установившегося режима работы, то необходимая информация на выходе блока 15 фиксируется в ячейке памяти 16 управляющим сигналом (Запись3), поступающим с выхода таймера 17. Выводы и результаты 1. Показана возможность определения величины момента инерции ротора АД из динамических режимов его работы. 2. Установлено, что для получения момента инерции ротора из динамических режимов достаточно в процессе испытаний осуществлять измерение Для определения электромагнитных параметров асинхронного электродвигателя при проведении экспресс-испытаний по данным регистрации значений токов и напряжений фаз статора необходимо определять по меньшей мере величины потокосцеплений статора. Алгоритмической основой вычисления этих величин являются уравнения Кирхгофа статорной цепи, записанные в неподвижной системе координат а,р: (6.1) Из этих связей видно, что достоверные значения потокосцеплений статора QSa, возможно получить, используя достоверный метод интегрирования связей (6.1) и достоверные значения величин, входящих в правые части (6.1). Использование при интегрировании значений активного сопротивления статора Rs с погрешностью вызовет проникновение ее в конечный результат. В этой связи рассмотрим возможные методы определения (уточнения) значений активного сопротивления статора асинхронного электродвигателя.
Теоретическое обоснование метода
Силовое исполняющее устройство предназначено для формирования необходимых режимов работы АД в процессе испытаний. Система измерения предназначена для получения измеряемых исходных данных и ввода их в память ЭВМ. ЭВМ предназначена для: - управления силовым исполняющим устройством с целью формирования необходимых режимов работы АД в процессе испытаний; - управления процессом ввода исходной информации в память ЭВМ; - обработки исходных данных с целью определения параметров и показателей качества АД. В состав ЭВМ входит аналого-цифровой преобразователь, содержащий выходной регистр для управления внешними устройствами. В качестве ЭВМ на испытательном стенде использован IBM-совместимый персональный компьютер. Рассмотрим устройство и работу силового исполняющего устройства и системы измерения, структурная схема которых показана на рис.8.2. Для регистрации исходных данных (UAB UBc h lc) переходного процесса в режиме пуска АД и режиме холостого хода при номинальном напряжении используется силовой контактор КМ1, который предназначен для подключения испытываемого АД к источнику переменного тока с напряжением 380 В. Для проведения опыта холостого хода при пониженном напряжении используется силовой контактор КМ2, который подключает АД к источнику переменного тока с напряжением 220В. Так как в режимах холостого хода ток статора значительно меньше тока в переходном режиме пуска АД, возникает необходимость переключения пределов измерения датчиков тока ДТ1, ДТ2. Эту функцию выполняет силовой контактор КМЗ. Управление силовыми контакторами КМ1, КМ2 и КМЗ осуществляется сигналами, поступающими с выходного регистра аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Для сопряжения измерительных датчиков тока и напряжения с платой АЦП, усиления и гальванической развязки управляющих сигналов используется устройство сопряжения (УС). Устройство состоит из блока питания (БП), блока оптронной развязки (БОР), блока масштабирующих усилителей (БМУ) и блока делителей напряжения (БД). Принципиальная схема УС и ее описание представлены в приложении Ш. Аналого-цифровой преобразователь служит для преобразования измеряемого аналогового сигнала в цифровую форму. Кроме того, АЦП имеет в своем составе выходной регистр, предназначенный для управления внешними устройствами, АЦП представляет собой печатную плату, которая вставляется в стандартный разъем ввода-вывода ЮМ PC/AT. Выбор АЦП может оказать существенное влияние на точность определения параметров АД. Технические характеристики АЦП, входящего в состав испытательного стенда, представлены в таблице 8.1. На сегодняшний день появились АЦП с более высокими техническими характеристиками, при тех же стоимостных показателях, что соответственно облегчит задачу подбора АЦП. Особое внимание при выборе АЦП нужно обращать на такой показатель как время преобразования. Большое время преобразования, а соответственно и интервал между двумя последовательно измеряемыми величинами, приведет к большим вычислительным погрешностям. Это подтверждается результатами вычислительного эксперимента, описанного в главе 4 настоящей работы (см. рис. 4.7 и рис. 4.8). Рассмотрим устройство и работу силовой схемы испытательного стенда. Силовая схема представляет собой электрошкаф с расположенными в нем силовыми контакторами для подключения испытуемого АД, реле, управляющими этими контакторами, и измерительными трансформаторами тока и напряжения. Принципиальная силовая схема показана на рис.8.3. Питание силовой схемы осуществляется от сети переменного тока 380 В 50 Гц через разъединитель QF1. Контактор КМ1 включается управляющим реле К1 для начального запуска АД и снятия пусковой характеристики. Пусковой ток проходит через первичные обмотки трансформаторов тока ТА1 и ТА2 марки УТТ-5, преобразующие ток до 600 А. Большой предел измерения по току выбран для уменьшения влияния насыщения трансформатора тока на пусковые токи. Напряжение UAB И &ВС измеряются измерительными трансформаторами напряжения TV1 и TV2 марки УТШ. Контактор КМЗ подключает первичные обмотки трансформаторов тока с пределом измерения 50 А для более точной регистрации исходных данных холостого хода АД. Трансформатор 77 и контактор КМ2 служат для регистрации исходных данных холостого хода при пониженном напряжении. Для защиты от аварийного отключения двух или трех контакторов одновременно цепи питания катушек включения развязаны блок-контактами КМ1, КМ2 и КМЗ. Трансформаторы тока ТА1 и ТА2 нагружены на измерительные шунты RSI и RS2 равными 0.167 Ом.
Похожие диссертации на Разработка высокопроизводительного комплекса оценки качества асинхронных электродвигателей
