Содержание к диссертации
Введение 5
1. Быстродействующий вентильный электропривод на основе
преобразователей с повышенными динамическими свойствами 12
Регулировочные свойства быстродействующих электроприводов 12
Энергетические характеристики электроприводов на основе преобразователей на полностью управляемых вентилях 18
Статические и динамические характеристики быстродействующих вентильных преобразователей 20
Сравнительный анализ устройств искусственной коммутации 22
Выводы 27
2. Анализ регулировочных характеристик и параметров нагрузки
преобразователей на полностью управляемых вентилях 30
2.1. Регулировочные характеристики вентильных \
электроприводов на основе преобразователей \
со знакопостоянным выходным напряжением 30
Электропривод с несимметричным ПИП 32
Преобразователь с многократным
включением вентилей 44
2.1.3. Преобразователь с комбинированной комму
тацией вентилей 51
2.2. Определение параметров цепи нагрузки преобра
зователей на полностью управляемых вентилях 58
Выводы 63
3. Энергетические характеристики и квазистатические про
цессы в управляемых вентильных преобразователях со
знакопостоянным выходным напряжением 65
3.1. Коэффициент мощности широкорегулируемого
электропривода на основе широтно-импуль-
сных преобразователей 66
Коэффициент полезного действия электропривода на основе широтно-импульсных преобразователей 75
Внешние характеристики вентильных преобразователей со знакопостоянным выходным напряжением 90
Внешние характеристики в режиме идеально сглаженного тока нагрузки 92
Внешние характеристики в режиме пульсирующего тока нагрузки 98
Внешние характеристики в режиме прерывистых токов нагрузки 105
3.4. Электромеханические характеристики электро
привода с вентильными преобразователями со
знакопостоянным выходным напряжением 108
Выводы 114
4. .Щшамические свойства замкнутых систем автоматического
регулирования с полностью управляемыми вентильными
преобразователями 116
4.1. Полоса пропускания частот преобразователей с
многократным включением вентилей 116
Полоса пропускания частот вентильного преобразователя с однонаправленной системой опорных напряжений 119
Полоса пропускания частот преобразователя с
с многократным включением вентилей 127
4.1.3. Полоса пропускания частот автономного
широтно-импульсного преобразователя 133
4.1.4. Симметричное безьнерционное управление преобразователем с многократным включением вентилей 136
Динамическая модель преобразователя с многократным включением вентилей 144
Амплитудно-фазовые характеристики преобразователей с многократным включением вентилей 156
Выводы 169
5. Вопросы разработки и экспериментального исследования
быстродействующего электропривода на основе преобразова
теля с многократным включением вентилей 173
Защита элементов преобразователя с многократным включением вентилей от коммутационных перенапряжений 173
Оптимизация параметров коммутирующего контура преобразователей на полууправляемых вентилях 186
Расчет установленной мощности силовых трансформаторов для быстродействующих электроприводов 200
Реверсивный преобразователь с многократным включением вентилей 208
Экспериментальное исследование вентильного электропривода постоянного тока на основе преобразователя с двукратным включением вентилей 217
Выводы 229
Заключение 234
Литература 238
Приложения 256
П.І. Определение относительной продолжительности
включения вентилей 257
П.2. Расчет границ устойчивости замкнутой системы 261
П.З. Акт внедрения 264
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-85 гг. и на период до 1990 года указывается на необходимость ускорения технического перевооружения производства, быстрейшего создания и повсеместного внедрения принципиально новой техники и материалов, применения в широких масштабах производительной энерго- и металлосберегающей технологии [84] .
Успешное решение поставленных задач невозможно без дальнейшего совершенствования современного автоматизированного электропривода, являющегося основой механизации и автоматизации подавляющего большинства производственных процессов. Как указывается в [93] , потребность в регулируемом электроприводе на базе силовой полупроводниковой техники в XI-й пятилетке возрастает по сравнению с предыдущей в 2,5 * 3 раза. Основным типом регулируемого электропривода продолжает оставаться вентильный электропривод постоянного тока, как наиболее полно удовлетворяющий требованиям технологических процессов и производственных механизмов.
Предприятия электротехнической промышленности, как в СССР, так и за рубежом, выпускают серийно большое количество различных типов электроприводов на основе вентильных преобразователей, что создает возможность применения в конкретных механизмах определенного типа электропривода, наиболее полно отвечающего требованиям технологического процесса и имеющего высокие энергетические показатели. Лучшие комплектные электроприводы, выпускаемые заводами электропромышленности СССР, по своим характеристикам не уступают зарубежным образцам. Это является результатом большого вклада советских ученых Барышникова В.Д.,
- б -
Башарина А.В., Булгакова А.А., Борцова Ю.А., Глазенко Т.А., Го-лубева Ф.Н., Донского Н.В., Зайцева А.И., Иванова А.Г., Исаева И.П., Конева Ю.И., Лабунцова В.А., Латышко В.Д., Магазинни-ка Г.Г., Мишина В.Н., Найдиса В.А., Поздеева А.Д., Сабинина Ю.А., Слежановского О.В., Толстова Ю.Г., %женко И.М., %ликина М.Г., Шевчука С.Н., Шинянского А.В., Шипилло В.П., Эттингера Е.Л. и многих других в теорию и практику автоматизированного вентильного электропривода.
Несмотря на достигнутые успехи, задача создания электроприводов с широким регулированием скорости вращения приводного электродвигателя, повышенными энергетическими показателями и динамическими свойствами продолжает оставаться актуальной, о чем свидетельствуют решения УІ, УІІ, УІІІ Всесоюзных конференций по автоматизированному электроприводу [101 ... ЮЗ] . Требования к регулировочным и динамическим свойствам электроприводов продолжают повышаться, между тем как современные комплектные электроприводы работают на пределе динамических возможностей ведомых сетью вентильных преобразователей, уступающих в быстродействии современным электродвигателям.
Повышение динамических свойств вентильных электроприводов возможно при построении их на основе преобразователей на полностью управляемых вентилях или принудительно коммутируемых тиристорах. При этом высокие динамические свойства электропривода благоприятно сочетаются с повышенными энергетическими показателями. Основными способами улучшения динамических показателей вентильных преобразователей и электроприводов на их основе являются увеличение числа включений вентилей в единицу времени, повышение кратности их включения за период сети, увеличение рабочей частоты широтно-импульсных преобразователей. Работы по созданию и исследованию таких преобразователей и электроприводов на их
основе ведутся в Московском энергетическом, Ленинградском и Новосибирском электротехнических, Горьковском, Киевском, Томском, Харьковском, Челябинском политехнических институтах, Ленинградском институте точной механики и оптики, предприятиях и организациях: ОКБС (г.Ленинград), НИИКЭ (г.Новосибирск), ВНИИР (г.Чебоксары), УКРНИЖШІ (г.Одесса) и других.
До сих пор, однако, несмотря на значительное количество работ в указанной области, многие вопросы остаются еще нерешенными. Так, нельзя считать завершенным исследование предельных регулировочных возможностей электроприводов на основе преобразователей с повышенными энергетическими и динамическими свойствами, несовершенны методики расчета свойств и параметров таких преобразователей и электроприводов. Недостаточно освещены вопросы выбора электрооборудования. Известные схемы быстродействующих преобразователей имеют массу и габариты значительно превышающие аналогичные параметры преобразователей с естественной коммутацией, не накоплен опыт промышленной эксплуатации электроприводов на их основе.
В диссертации делается попытка восполнить имеющийся пробел в решении некоторых из вышеуказанных вопросов.
Цель работы заключается в улучшении статических и динамических характеристик вентильных преобразователей с повышенными энергетическими показателями для быстродействующих широкорегули-руемых электроприводов постоянного тока на основе развития теории, совершенствования схемных решений широтно-импульсных преобразователей с непосредственной связью и многократным включением вентилей.
Основные задачи работы:
исследование коммутационных процессов в вентильных преоб-
разователях с повышенными динамическими показателями с целью выявления предельных регулировочных возможностей быстродействующих электроприводов на их основе;
исследование квазиустановившихся электромагнитных процессов в преобразователях с многократным включением вентилей;
анализ динамических свойств преобразователей с многократным включением вентилей и замкнутых систем автоматического регулирования с такими преобразователями;
разработка способа управления преобразователем с многократным включением вентилей, улучшающего его динамические свойства с сохранением высоких энергетических показателей;
разработка вентильного преобразователя с искусственной коммутацией для работы в режиме многократного включения вентилей;
разработка и экспериментальное исследование электропривода на основе преобразователя с двукратным включением вентилей для привода подач тяжелого горизонтально-расточного станка.
Методы исследования. В работе используются методы математического анализа физических процессов, в частности, метод спектрального анализа - при определении энергетических характеристик электроприводов; метод Гаусса-Зейделя - при определении минимума целевой функции коммутирующего контура; методы теории импульсных систем (дискретное преобразование Лапласа , гармоническая линеаризация) - при анализе устойчивости замкнутых систем автоматического регулирования; метод А.А.Булгакова - для определения моментов открытия и закрытия вентилей; минимума годовых расчетных затрат - при оценке технико-экономических показателей отдельных узлов электропривода; экспериментальные методы проверки теоретических результатов на экспериментальной и опытной установках.
Научная новизна. В работе получены новые научные результаты:
предложена общая методика, позволяющая определить максимальный диапазон регулирования угловой скорости электродвигателя в электроприводах со знакопостоянным выходным напряжением преобразователя;
получены уравнения, позволяющие рассчитать внешние характеристики преобразователей с многократным включением вентилей с учетом влияния устройств защиты преобразователя от перенапряжений и элементной базы преобразователей (запираемые тиристоры, тиристоры с искусственной коммутацией);
разработан способ импульсно-фазового управления, позволяющий вдвое увеличить резонансную частоту преобразователя с двукратным включением вентилей с сохранением его высоких энергетических свойств;
разработана импульсная динамическая модель преобразователя с многократным включением вентилей.
Практическая ценность. Работа выполнялась в соответствии с планом основных научных работ научно-производственных объединений и вузов и отнесена к числу работ по важнейшей тематике (тема
р
—2 по плану ОК и НИР Минсудпрома. В результате:
для вентильных электроприводов постоянного тока на основе преобразователей со знакопостоянным выходным напряжением получены выражения, позволяющие определить максимальный диапазон регулирования угловой скорости электродвигателя;
приведены аналитические зависимости для расчета установленной мощности силовых трансформаторов для быстродействующих вентильных электроприводов;
установлено, что отношение амплитуды тока в контуре коммутации к величине максимального коммутируемого тока нагрузки преобразователя для обеспечения минимума массо-габаритных показате-
лей коммутирующего контура должно изменяться с изменением допустимой величины коммутируемого тока, приближаясь сверху с ростом последнего к величине 1,55;
разработанная импульсная динамическая модель преобразователя с многократным включением вентилей позволяет производить проверку систем автоматического регулирования с такими преобразователями на устойчивость и рассчитывать переходные процессы при заданных параметрах системы;
предложено схемное решение реверсивного вентильного преобразователя без уравнительных токов для работы в режиме многократного включения вентилей, подтвержденное авторским свидетельством.
Реализация работы. Проведенные исследования послужили базой для разработки электропривода постоянного тока на основе преобразователя с двукратным включением вентилей, внедренного в качестве электропривода подач тяжелого горизонтально-расточного станка модели 2Б635 на заводе "Красное Сормово".
В работе автор защищает:
методику определения максимального диапазона регулирования угловой скорости электродвигателя, питающегося от преобразователя на полностью управляемых вентилях;
анализ внешних характеристик преобразователя с многократным включением вентилей;
методику оптимизации коммутирующего контура по массо-габаритным и стоимостным показателям;
импульсную динамическую модель преобразователя с многократным включением вентилей;
способ двухканального симметричного управления преобразователем с двукратным включением вентилей;
реверсивный тиристорный преобразователь с многократным
- II -
включением вентилей для быстродействующего электропривода постоянного тока.
Апробация работы. Основные теоретические положения, результаты и выводы работы были доложены и обсуждены на:
итоговых научных конференциях Чувашского государственного университета имени И.Н.Ульянова, Чебоксары, 1972, 1973, 1975 гг.;
научно-технической конференции молодых ученых и специалистов Горьковского политехнического института имени А.А.Жданова, Горький, 1977 г.;
научно-технической конференции НТО Э и ЭП электротехнического факультета Горьковского политехнического института имени А.А.Жданова "Повышение эффективности преобразователей и систем энергетики", Горький, 1978 г.;
научно-технической конференции Горьковского областного НТО Э и ЭП и электротехнического факультета Горьковкого ордена Трудового Красного Знамени политехнического института имени А.А.Жданова "Актуальные проблемы электротехники", Горький, 1982 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ [5, 124 ... I29J, отражающих ее содержание, в том числе одно авторское свидетельство.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 237 страницах машинописного текста, включая 84 страницы рисунков и таблиц; приложений на II страницах; списка литературы из 162 наименований на 18 страницах.
