Вентильные системы асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением

Актуальность темы

исследования определяется тем, что основной тенденцией развития современных электроприводов переменного тока является использование асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором, управляемых посредством вентильных преобразователей. В то же время в качестве приводных двигателей для общепромышленных механизмов, например подъемно-транспортных, широкое распространение получили асинхронные двигатели с фазным ротором, в связи с чем на предприятиях даже при проведении модернизации в качестве приводных оставляют этот тип двигателей [1].

Среди регулируемых приводов наибольшее распространение получили системы асинхронных вентильных каскадов (АВК) и системы с тиристорными преобразователями частоты (ТПЧ) [2, 3, 4, 5].

Электропривод с ТПЧ обеспечивает динамические характеристики, не уступающие по качеству характеристикам электроприводов постоянного тока. Это, прежде всего, относится к высококачественным системам управления, достаточно сложным по структуре и настройке и которые применяются там, где предъявляются высокие требования к управлению параметрами привода (позиционные системы) [5]. Немаловажное значение имеет форма кривых тока и напряжения, подводимого к статору двигателя в случаях использования ТПЧ. Несинусоидальность указывает на наличие высших гармоник, что, в конечном итоге, оказывает влияние на динамику системы электропривода [4, 6].

Для механизмов общепромышленного назначения представляется целесообразным разрабатывать системы электропривода, которые обеспечивали бы сочетание высоких динамических свойств и энергетических показателей.

7].

Возможность режима «опрокидывания» инвертора в системе АВК из-за кратковременного пропадания напряжения сети снижает надежность работы системы в крановых приводах, где питание осуществляется по троллеям [7]. 5.

Важной задачей является снижение потребляемой системой электропривода реактивной мощности, которое достигается за счет схемных решений в силовой цепи. Эти решения не должны существенно усложнять схему, а, значит, и снижать ее надежность. При этом желательно использовать стандартное оборудование. В этом случае перспективным направлением является создание гибридных схем, сочетающих в себе свойства каскадных и частотных электроприводов. В соответствие с этим требуется проводить анализ динамических процессов в системе каскадно-частотного электропривода, рассматривать такие важные параметры, как перегрузочная способность двигателя в проектируемой системе и способы ее повышения [8], критерии оптимизации энергетических характеристик. Поэтому работы, направленные на создание вентильных систем асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением являются актуальными, т.к. в конечном итоге способствуют улучшению энергетических показателей механизмов общепромышленного назначения.

Объектом исследования являются силовые схемы электропривода, разработанные на основе синтеза вентильных каскадов и частотно-управляемых приводов.

Цель работы. Совершенствование систем каскадного и частотного электропривода путем новых схемных решений, улучшающих энергетические показатели механизмов общепромышленного назначения.

Идея работы заключается в разработке вентильных систем асинхронного электропривода с использованием гибридных схем, сочетающих в себе свойства каскадного и частотного электроприводов.

Задачи, которые ставились и выполнялись в ходе работы:

— моделирование асинхронного двигателя как объекта управления в системе каскадно-частотного электропривода;

— моделирование замкнутой системы каскадно-частотного электропривода;

— построение энергетических характеристик системы каскадно-частот-ного электропривода;

— проведение экспериментальных исследований с целью определения статических, динамических и энергетических свойств системы каскадно-частотного электропривода.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались структурным и частотным методами теории автоматического управления, методами математического моделирования на ЭВМ с использованием численных методов, а также методами экспериментального анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— построена математическая модель замкнутой системы каскадно-час-тотного электропривода;

— предложен метод коррекции ее динамических свойств;

— сопоставлены энергетические показатели действующих систем каскадного и частотного электроприводов и системы каскадно-частотного электропривода;

— рассмотрены критерии оптимизации энергетических показателей;

— построена энергетическая диаграмма системы каскадно-частотного электропривода.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

— на базе асинхронных двигателей с фазным ротором создана система, сочетающая в себе свойства систем ТПЧ-АД и АВК с повышенным коэффициентом мощности по сравнению с действующими каскадными электроприводами;

— разработана инженерная методика синтеза регуляторов при построении замкнутых систем управления каскадно-частотным электроприводом;

— регулирование момента в системе каскадно-частотного электропривода осуществляется путем применения более простой одноканальной схемы управления выпрямленным током в отличие от двухканальных схем в частотно-управляемых электроприводах;

— использование серийного оборудования делает возможным использовать систему каскадно-частотного электропривода в общепромышленных механизмах.

Достоверность положений, результатов и выводов подтверждена: точностью математических моделей, учитывающих динамические свойства и нелинейность характеристик асинхронного двигателя и элементов электроприводастрогой доказанностью результатами математического моделирования и экспериментальными данными полученных аналитических выраженийсопоставимостью полученных результатов с положениями общей теории электропривода.

Реализация результатов работы.

Диссертация выполнена на кафедре электропривода Липецкого государственного технического университета в рамках НИР «Энергосберегающие системы асинхронного электропривода подъемно-транспортных механизмов». Создан опытный образец электропривода с каскадно-частотным управлением. Математическая модель системы каскадно-частотного электропривода внедрена в учебный процесс и используется в курсовом и дипломном проектировании, что подтверждено актом внедрения.

На защиту выносятся:

— результаты математического моделирования системы каскадно-частотного электропривода;

— результаты синтеза регуляторов замкнутых систем управления каскадно-частотным электроприводом;

— энергетические характеристики системы каскадно-частотного электропривода;

— результаты экспериментальных исследований.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации были представлены на областной научной конференции «Молодежь и наука на рубеже XXI века» (Липецк, 1997) — международной научно-технической конференции «Энергосбережение-98» (Тула, 1998) — научно-технической конфе8 ренции кафедры «Электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов», посвященной 25-летию кафедры электропривода ЛГТУ (Липецк, 1999) — II региональной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности центра России. Исследования, инновации, применение» (Тула, 1999).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 6 печатных работах, из них: 2 статьи, 4 тезиса докладов на конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 59 наименований, 6 приложений. Общий объем работы составляет 175 страниц. Основная часть изложена на 113 страницах текста, работа содержит 48 рисунков на 46 страницах, 18 таблиц.

4.4. Выводы.

1. Установка трансформатора в цепь статора двигателя позволяет увеличить его пусковой момент в системе каскадно-частотного электропривода, но, вместе с тем, приводит к увеличению габаритных размеров установки.

2. Оптимизация по максимуму кпд системы при данном техническом решении производится путем варьирования значения кГР.

3. В соответствии с полученной энергетической диаграммой система каскадно-частотного электропривода потребляет активную энергию практически в том же объеме, что и система ABK.

4. В системе каскадно-частотного электропривода снижено потребление реактивной энергии из сети по сравнению с АВК, что заметно повышает коэффициент мощности.

5. Математическая модель системы каскадно-частотного электропривода позволяет рассматривать энергетические характеристики в статических и динамических режимах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований решены актуальные задачи, направленные на совершенствование вентильных систем асинхронного электропривода путем разработки систем с каскадно-частотным управлением, улучшающих энергетические показатели приводов механизмов общепромышленного назначения.

Материалы диссертации позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Построена математическая модель на базе векторной модели асинхронного двигателя, которая позволяет исследовать свойства каскадно-частотного электропривода в разомкнутой и замкнутой системах, а также рассмотреть энергетические характеристики (коэффициент мощности, кпд, потери в обмотках, потребляемая мощность) в статических и динамических режимах.

2. Разработан принцип построения системы каскадно-частотного электропривода с одноканальной системой управления моментом двигателя на базе автономных инверторов тока и напряжения.

3. Разработан метод коррекции динамических свойств системы асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением, позволяющий компенсировать влияние в силовой части схемы положительной обратной связи по эдс ротора и отрицательной обратной связи по эдс статора.

4. В сравнении с традиционными системами АВК система каскадно-частотного электропривода характеризуется меньшим (на 25.30%) потреблением реактивной энергии и обладает повышенным (на 20%) коэффициентом мощности.

5. Использование серийного оборудования, а также ограничение в разомкнутых и замкнутых системах момента асинхронного двигателя в пусковых режимах позволяют применять каскадно-частотный электропривод в общепромышленных механизмах.