Введение к работе
Актуальность работы. Асинхронный электродвигатель с короткозамк-нутым ротором (АД), в связи с конструктивной простотой и высокими энергетическими показателями, получил широкое распространение во многих отраслях промышленности. Например, АД применяется в большинстве нерегулируемых электроприводов подземных горных и транспортных машин (ГТМ) - проходческих и очистных комбайнах, конвейерах, погрузочных машинах и т.д.
Режим работы ГТМ характеризуется непрерывным изменением нагрузки на исполнительных органах, частыми процессами пуска и торможения приводов. Развиваемые в процессе пуска АД знакопеременные электромагнитные переходные моменты приводят к увеличению уровня динамической нагруженно-ста электропривода и вызывают удары и деформации в элементах трансмиссии с интенсивным их износом и поломками, в результате чего снижается надёжность и ресурс ГТМ.
Возникающие при пуске АД переходные токи являются основной причиной ускоренного износа и повреждения изоляции статорной обмотки электродвигателей, вследствие значительных электродинамических, электромеханических усилий, а также интенсивного термического старения.
Таким образом, частые неуправляемые пуски являются одной из основных причин сокращения срока службы и преждевременного выхода из строя электроприводов ГТМ.
Решение этой проблемы возможно за счет оснащения ГТМ частотно -регулируемым электроприводом (ЧРЭГГ) или применением устройств управления пуском АД (УУП). Создание ЧРЭП во взрывозащищенном рудничном исполнении представляет в настоящее время достаточно сложную техническую задачу (охлаждение силовых полупроводниковых приборов, защита от токов утечки, проблема «длинного кабеля» и т. д.). Кроме того, он является более дорогостоящим по сравнению УУП, поэтому его использование для управления состоянием АД в пусковых режимах может быть ряде случаев нецелесообразным.
Вопросами, связанными с изучением пусковых режимов асинхронных электродвигателей, занимались И.Я. Браславский, Е.К. Ещин, Е.А. Казовский, К.П. Ковач, И.П. Копылов, В.А. Ладензон, Л.Б. Масандилов, A.M. Мейстель, И.И. Петров, Л.П. Петров, Р.Г. Подзолов, И. Рац, И.И. Трещев, М.М. Соколов, В.А. Шубенко и многие другие. Этими учеными разработана теория поведения АД в динамических режимах работы, в частности, в процессе пуска, разработаны методы исследования асинхронного электропривода в переходных режимах, сформулированы принципы управления пуском АД, предложены различные способы управляемого пуска АД и реализующие их устройства.
Однако, несмотря на полученные результаты, исследование комплекса
вопросов, связанных с управлением режимами пуска асинхронного электро
привода с учётом электромагнитных переходных явлений, нельзя считать за
конченным и его продолжение представляется'-акт^аадщ^^'Етгаятоящий мо
мент времени. / БИБЛИОТЄКА /
Задача управления пуском АД зачастую рассматривается обособленно, без рассмотрения всего электротехнического комплекса ГТМ, в состав которого АД входит как объект управления. В тоже время, пуск АД электропривода ГТМ происходит в условиях электрической сети ограниченной мощности, при этом питание электродвигатель получает через протяжённую кабельную сеть. Следствием этой особенности является значительное снижение напряжения на зажимах запускаемого АД под действием пусковых токов, величина которых определяется параметрами электродвигателя и сети электроснабжения, а длительность - характером нагрузки на валу, формируемой механической частью ГТМ в пусковом режиме.
Таким образом, несомненный практический и научный интерес представляет задача исследования эффективности способов управляемого пуска АД электротехнического комплекса ГТМ, с учетом его особенностей.
В последние годы во многих отраслях промышленности происходит внедрение полупроводниковых устройств управления пуском, представляющих собой тиристорные преобразователи напряжения с фазовым или квазичастотным управлением. Однако в связи с развитием силовой полупроводниковой техники появилась возможность создавать компактные и надёжные устройства управляемого пуска АД на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов, позволяющие использовать другие импульсные способы регулирования переменного напряжения, с более высокими энергетическими показателями.
Поэтому актуальной задачей также является разработка новых способов и устройств управляемого пуска, с целью снижения уровня динамической на-груженности элементов электропривода ГТМ и повышения его надежности.
Пель работы - исследование условий формирования благоприятного пуска нерегулируемых асинхронных электроприводов горных и транспортных машин для разработки и настройки полупроводниковых пусковых устройств, предназначенных для повышения функциональной надёжности приводов.
Идея работы заключается в использовании аналитических исследований, математических моделей электротехнических комплексов горных и транспортных машин и их отдельных компонентов, а также результатов компьютерного моделирования для выявления эффективности известных и разработки новых способов управляемого пуска АД с последующей проверкой полученных результатов в лабораторных и промышленных условиях.
Задачи исследований:
провести анализ существующих способов управляемого пуска асинхронного электропривода;
выбрать математическую модель АД и преобразовать ее к виду, удобному для использования в аналитических исследованиях и при компьютерном моделировании переходных процессов при пуске АД;
провести аналитические исследования математической модели АД для определения зависимостей, использование которых позволит при управляемом пуске уменьшить динамическую составляющую переходного электромагнитного момента и величину пускового тока;
разработать алгоритм управления состоянием АЛ Для обеспечения благоприятного пуска;
разработать интегрированную математическую модель электротехнического комплекса ГТМ;
разработать программное обеспечение и провести компьютерное моделирование различных способов пуска АД;
разработать испытательный стенд для экспериментальною исследования электромеханических переходных процессов при управляемом пуске АД;
разработать полупроводниковые устройства управления пуском и программное обеспечение для их управления и защиты, реализующие эффективные способы управления пуском и произвести экспериментальную проверку полученных алгоритмов управления;
провести сравнительный анализ эффективности различных способов управления состоянием электроприводов ГТМ в пусковых режимах.
Методы исследований. Научные и практические результаты диссертационной работы получены с использованием следующих основных методов:
теории обобщенной электрической машины для анализа процессов, происходящих в АД;
метода скоростного градиента для построения алгоритма управления состоянием АД в процессе пуска;
методов аналитического и численного решения систем дифференциальных уравнений;
компьютерного моделирования процессов в АД и электротехническом комплексе ГТМ с использованием полученных алгоритмов для различных способов пуска.
Основные научные положения.
Использование линеаризованной математической модели АД позволяет установить аналитическую зависимость между начальной амплитудой знакопеременной составляющей переходного электромагнитного момента, параметрами асинхронного электродвигателя и постоянной времени нарастания приложенного напряжения для реализации благоприятного пуска АД.
Использование математической модели электротехнического комплекса «силовой трансформатор - кабель - устройство управления пуском -асинхронный электродвигатель - рабочий орган ГТМ» является основой для анализа динамических процессов в электроприводах ГТМ при управляемом пуске приводных электродвигателей.
Алгоритм управления пуском АД, полученный на основе метода скоростного градиента, позволяет значительно уменьшить динамическую составляющую переходного электромагнитного момента.
Применение полностью управляемых полупроводниковых ключей позволяет создавать устройства управления пуском АД, имеющие более высокие энергетические и динамические показатели, а также управлять состоянием АД в пусковом режиме способами, недоступными устройствам с естественной коммутацией полупроводниковых ключей.
Научная новизна.
Разработана математическая модель системы «устройство управления пуском - асинхронный электродвигатель», позволяющая исследовать динамические процессы в системе с учетом состояния полупроводниковых коммутационных элементов.
Разработана интегрированная математическая модель, описывающая электротехнический комплекс, состоящий из компонентов: силовой трансформатор - кабель - устройство управления пуском - асинхронный электродвигатель - рабочий орган скребкового конвейера.
Получена аналитическая зависимость, определяющая возможность снижения начальной амплитуды знакопеременной составляющей электромагнитного переходного момента в зависимости от величины постоянной времени при экспоненциальном нарастании приложенного напряжения, с учетом параметров ЛД.
Разработаны алгоритмы реализации законов управления пуском и программное обеспечение, позволяющие путем компьютерного моделирования исследовать переходные процессы при управляемом пуске ЛД.
Получен закон изменения питающего напряжения для благоприятного пуска асинхронного электродвигателя на основе метода скоростного градиента.
Практическая ценность работы состоит в том, что её результаты могут быть использованы:
при разработке и настройке полупроводниковых устройств для реализации благоприятного пуска АД;
при моделировании переходных процессов в сети электроснабжения, содержащей систему «устройство управления пуском - асинхронный электродвигатель»;
для исследования переходных пусковых процессов в электроприводе скребкового конвейера;
для выбора наиболее эффективного способа управления пуском АД конкретного электропривода.
Разработаны также устройства управления пуском АД с различными полупроводниковыми ключами и программное обеспечение для управления и защиты.
Достоверность научных положений и выводов подтверждена результатами вычислительных экспериментов на ЭВМ, а также экспериментальной проверкой на испытательном стенде на кафедре электропривода и автоматизации Кузбасского государственного технического университета и результатами промышленных испытаний в условиях обогатительной фабрики ОАО «Шахта Заречная» и поверхностного технологического комплекса ОАО «Шахта Березовская» в Кузбассе.
Устройство для благоприятного пуска АД принято к внедрению в НИИ взрывозащищенных электрических машин (г. Кемерово).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электро-
7 ника в металлургической и горно-топливной отраслях» («АЭПЭ-2004», г. Новокузнецк, 2004 г.), XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» («ММТТ-18», г. Казань, 2005 г.), X Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» («Сибресурс 2004», г. Кемерово 2004 г.), Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2004 г.), Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2005 г.), на ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2002-2005 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 печатных работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложений и содержит 160 страниц текста, 69 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 120 наименований.
