Выявление возможностей и свойства установившихся и переходных процессов в электроприводах с синхронно-реактивными двигателями в производстве химических волокон

ХХУ1 съездом нашей партии и решениями последних (ноябрь ' 1982 г.- июнь и декабрь 1983 г.) пленумов ЦК КПСС в ряду важнейших задач определены задачи по дальнейшему увеличению количества и улучшению качества выпускаемых в нашей стране химических волокон и нитей. При этом их выпуск в 1985 г. должен быть доведен до 1,6 млн. тонн, а скорость намотки должна быть доведена до 18 000 об/мин. Решение этих важнейших задач возможно лишь при условии дальнейшего развития и всестороннего совершенствования электрооборудования соответствующих химических предприятий, в том числе и электропривода с синхронным реактивным двигателем (СРД). Электропривод с СРД должен обеспечивать в технологическом процессе намотки химических волокон и нитей строгое постоянство скорости вращения намоточного механизма в широких диапазонах варьирования приложенной нагруз' ки и частоты питающего напряжения. В связи с этим актуальной задачей является полнота знания о характере установившихся и в особенности переходных процессов синхронно-реактивного двигателя при его питании от современных источников, — тиристор-ных преобразователей частоты (ТПЧ), — в зависимости от значений постоянных параметров, отражающих конструктивные особенности рассматриваемого электропривода. При этом важной задачей является установление таких областей значений этих параметров, которые, с одной стороны, обеспечивают синхронно-реактивному двигателю при его пуске в заданных диапазонах изменения приложенной нагрузки и частоты питающего напряжения устойчивый вход в синхронизм, а, с другой, допускают установление лишь таких колебаний характеристик установившегося режима, которые удовлетворяют соответствующим требованиям, предъявляемым к СРД при решении вопроса об улучшении качест-бэ выпускаемо" продукции. Репение указанных выше задач возможно лишь в рамках математической модели электропривода с СРД, адекватно отражающей характер электромагнитных процессов в синхронном реактивном двигателе. Такой моделью в теории машин переменного тока является система дифференциальных уравнений СРД, записанная относительно фазовоп системы координат. При этом для исследования характеристик установившихся и переходных режимов СРД в рамках этой системы актуальной задачей является разработка эффективных алгоритмов ее численного интегрирования, причем эти алгоритмы должны реализовы-ваться на современных быстродействующих электронно-вычислительных комплексах (ЭВМ). В силу сложного характера исследуемых явлений в настоящей работе изучение свойств и особенностей электромагнитных и электромеханических процессов в электроприводе с СРД проводится в предположении о наличии идеального источника питания, т. е. влияние электромагнитных процессов в СРД на источник питания не учитывается.

Наряду с указанными задачами актуальной является также задача о разработке математических методов для определения конкретных значений постоянных параметров выпускаемых промышленностью синхронных реактивных двигателей, так как экспериментальные методы и методы их определения в рамках строгой теории электромагнитных явлений представляются малоэффективными из-за сложных конструктивных особенностей используемых в настоящее время СРД.

Научная новизна полученных в настоящей работе результатов состоит: !П в разработке эффективных алгоритмов для численного интегрирования системы дифференциальных уравнений.

CPJ, e фазных координатах как для нахождения установившихся, так и для нахождения переходных характеристик электропривода с синхронно-реактивным двигателем- 2) в получении путем последовательного применения аналитических методов исследования областей значений постоянных параметров электропривода с СРД, которые обеспечивают этим двигателям при их пуске с номинальной нагрузкой и в широком диапазоне изменения частоты питающего напряжения устойчивый вход в синхронизм- 3) в разработке математических методов определения постоянных параметров СРД на базе минимума экспериментальных данных.

Практическая значимость работы заключается в теоретически и экспериментально обоснованных методиках расчета электромагнитных, электромеханических и энергетических процессов в электроприводе с СРД, а такие в методике идентификации постоянных параметров используемых на предприятиях химической промышленности синхронных реактивных двигателей. При этом полученные в настоящей работе условия устойчивого входа в синхронизм СРД при его пуске в широком диапазоне изменения приложенной нагрузки и частоты питающего напряжения могут быть использованы как при создании новых конструкций СРД, так и при усовершенствовании конструктивных данных используемых в настоящее время синхронных реактивных двигателей.

Результаты проведенных в данной работе исследований внедрены во ВНИИМСВе (г.Чернигов) и на ЛМО им. К. Маркса (г.Ленинград).

Основные положения работы нашли свое отражение в двенадцати публикациях, а также были доложены на пяти семинарах, двух Всесоюзных и одной международной конференциях.

I. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ АСПЕКТОВ ПРИМЕНЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С СРД МАШИН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН.

Под электроприводом понимается электромеханическая система, преобразующая электрическую энергию в механическую форму движения.

За последние годы произошел дальнейший рост темпов научно-технического прогресса на основе повышения интенсивности технологических процессов в промышленности, строительстве, на транспорте, в сельском и коммунальном хозяйстве, а также, в частности, в отраслях промышленности, связанных с производством химических волокон. При этом возросло значение электропривода в техническом прогрессе и расширилось его применение в наиболее прогрессивной форме регулируемого привода. Продвинулась вперед теория оптимального управления электропривода, разработаны и внедрены унифицированные средства управления, расширилось применение в электроприводе микропроцессоров для решения отдельных локальных задач, осуществлены поставки и ввод в эксплуатацию оптимально управляемых электроприводов для ряда отраслей народного хозяйства.

Тенденция применения управляемого привода в форме тирис-торного привода стала основным направлением в работах по электрификации, автоматизации и оптимальному управлению механическими операциями технологических процессов во всех отраслях промышленности.

Рассматривая электропривод как электромеханическую систему, предназначенную для электрификации, автоматизации и оптимального в технологическом смысле управления механическими операциями, можно сказать, что на сегодняшний день получила дальнеРшее развитие теория и практика машинного проектирования систем автоматизированного электропривода. Были расширены научно-исследовательские работы по созданию математических моделей и алгоритмов технологических процессов. Дальнейшее развитие получила теория и практика электроприводов с синхронным двигателем. При этом значительно расширилась область применения современных автоматизированных электроприводов. На сегодняшний день они являются ведущими элементами в автоматизированных сельскохозяйственных комплексах, циркуляционных насосах атомных электростанций, угольных шахтах с оптимальным телемеханическим управлением технологическими процессами с поверхности шахты и т. д. Продолжаются работы по созданию комплексных электроприводов для уникальных установок, таких, как например, установка горячей прокатки с массой рулона до 80 т и скоростью прокатки до 30−35 м/с, з экскаваторов с емкостью ковша до 100 м, полугрукных плавучих буровых установок для бурения на глубину 6000 м и т. п.

Решение указанных выше задач возможно лишь при условии дальнейшего развития теории и практики массового электропривода трехфазного тока, включая разработку простых, наденных, частично управляемых электроприводов и их элементов, в том числе унифицированных блоков управления. Большой вклад в решение поставленных задач даст и процесс дальнейшего усовершенствования машин переменного тока, которые являются одними из основных элементов автоматизированных электроприводов.

I.I. Общая характеристика электропривода с СРД машин для производства химических волокон.

Появление тиристоров — нового средства управления, обладающего многообразными возможностями, — предопределило появление разработок тиристорных устройств для управления асинхронными и синхронными короткозамкнутыми двигателями. Первые же попытки применения тиристоров в приводах показали, что подобные устройства обладают целым рядом новых возможностей управления асинхронными и синхронными двигателями: плавного пуска, эффективного торможения, амплитудного и импульсного управления, квазичастотного регулирования, использования вибрационного режима работы и т. п. Еще на стадии исследования тиристорных инверторов было обнаружено, что в зависимости от формы напряжения на выходе инвертора могут быть обеспечены различные сочетания свойств электроприводабыло замечено, что возможности регулирования частоты, в частности в динамике, в подобных системах выше, чем в электромашинных, что тиристор позволяет реализовать некоторые специальные режимы, а также режимы новые, ранее не использованные.

Не все задачи управления можно считать решенными, однако уже сейчас исследуются задачи, в которых. возможности тиристорных систем ограничиваются свойствами асинхронных и синхронных двигателей, созданных без учета последующего изобретения тиристоров и возникновения тиристорных систем управления, и, по-видимому, в ближайшем будущем потребуется создание таких машин, которые будут сочетать в себе известные свойства асинхронных и синхронных электродвигателей и которые смогут наилучшим образом реализовать возможности тиристорных систем управления.

Во всех отраслях промышленности к электроприводам предъявляются определенные требования. Наиболее существенные из них следующие:

I) регулирование скорости, необходимое для обеспечения длительных статических режимов работы двигателя;

2) обеспечение рационального (плавного, форсированного, безударного и т. п.) пуска двигателя, при котором разгон происходит по заданному закону изменения скорости вращения, в том числе обеспечение синхронизации синхронно-реактивного двигателя при его пуске с номинальной нагрузкойограничение величины тока, рывка или моментаустранение паразитных составляющих момента;

3) обеспечение рационального торможения, т. е. торможения с заданными параметрами — значениями времени, пути торможения или разброса последнегос заданным законом изменения скорости или ограничением момента и рывка;

4) реверсирование двигателя с плавным торможением и разгоном;

5) получение низких устойчивых («ползучих») скоростей, в том числе для синхронных реактивных двигателей;

6) точные отключения и останов;

7) вибрационный режим и т. п.

Все указанные задачи могут быть решены при тиристорном управлении асинхронными и синхронными короткозамкнутыми двигателями, отличающимися существенными преимуществами перед двигателями постоянного тока по скорости, весу, моменту инерции, К.П.Д. и стоимости. При этом двигатели переменного тока обладают более прочной конструкцией, удобнее в обслуживании и принципиально надежнее, чем двигатели постоянного тока. Следует отметить, что при сравнении синхронных (в частности, синхронно-реактивных) машин с асинхронными оказывается, что в системах глубокого частотного регулирования скорости применение синхронных машин оказывается предпочтительным в силу строгого постоянства скорости вращения ротора при фиксированной частоте.

Поэтому в отраслях промышленности, связанных с производством химических волокон, большое распространение получил электропривод с синхронно-реактивным двигателем.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Для исследования возможностей и свойств установившихся и переходных процессов в электроприводе с синхронным реактивным двигателем на основе сравнительного анализа математических моделей выбрана математическая модель СРД, являющаяся системой нелинейных и неоднородных дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами и записанная относительно фазной системы координат.

2. Для расчета с использованием ЭВМ характеристик установившихся процессов в электроприводе с СРД осуществлен выбор на базе метода неявных разностных схем, разработанного академиком А. А. Самарским, дискретной модели СРД, соответствующей исходной непрерывной математической модели.

3. В рамках указанной выше дискретном модели СРД разработан алгоритм и составлена вычислительная программа на алгоритмическом языке «SOPTPАН-1У» для численного интегрирования в установившихся режимах работы электропривода с СРД системы дифференциальных уравнений СРД с периодическими коэффициентами.

В тех случаях, когда матрица коэффициентов, состоящая из индуктивностей и взаимоиндуктивностеп СРД, близка к вырожденной, учет высших гармонических составляющих в разложениях этих коэффициентов в ряды Оурье производится по предложенному методу последовательных приближений, причем в рамках этого метода для расчета характеристик установившихся режимов электропривода с СРД разработаны дискретная модель, алгоритм и вычислительная программа, допускающая ее реализацию на ЭВМ серии ЕС.

5. В частных случаях задания формы питающего напряжения по синусоидальному закону и с учетом ограниченного числа еыспих гармонических составляющих в разложениях коэффициентов самоиндукции и взаимной индукции в ряды Фурье в рамках предложенного метода последовательных приближении для расчета искомых величин, характеризующих установившийся режим работы электропривода с СРД, получены соответствующие им аналитические выражения, которые, с одной стороны, могут быть полезны в практике проведения соответствующих инженерных расчетов, а, с другой — могут служить средством контроля за проведением численных расчетов на ЭВМ.

6. В общих случаях задания формы питающего напряжения аналитические соотношения для рассчитываемых величин исследуемых установившихся режимов работы электропривода с синхронным реактивным двигателем получены на основе метода задания формы решения при рассмотрении вариационной формулировки задачи, соответствующей исходной.

7. На примере расчета по полученным аналитическим соотношениям характеристик установившихся режимов электропривода с синхронным реактивным двигателем ДРС-450М показана степень их согласованности с результатами численного интегрирования с использованием ЭВМ системы дифференциальных уравнений СРД в фазных координатах.

8. Проведены расчеты установившихся режимов электропривода с синхронным реактивным двигателем ДРС-450М при питании его от тиристорного преобразователя частоты (TIH). При этом установлена существенная зависимость формы кривых токов от наличия в разложениях индуктивностей и взаимоиндуктивностеп СРД в ряды Фурье высших гармонических составляющих этих разложений. Исследованы также характеристики установившихся режимов этого двигателя при реализации частотного закона управления COrtSfi. При этом выявлено возрастание колебательной составляющей электромагнитного момента с уменьшением значений напряжения «{JF и частоты ОО^ •.

9. Прогедены расчеты установившихся режимов электропривода с синхронным реактивным двигателем ДРС-300 при питании его от ТПЧ. При этом получены зависимости искомых токов и электромагнитного момента, развиваемого двигателем, от значений параметров этого двигателя и угла нагрузки. На основании этих данных может быть сделан вывод, что при фиксированных значениях параметров двигателя дРС-800 колебательность его электромагнитного момента /Ц возрастает с уменьшением значений угла нагрузки Q. Указанную колебательность электромагнитного момента /Д можно практически свести к нулю как путем уменьшения амплитуды питающего напряжения, так и путем трансформации параметров этого двигателя в сторону увеличения.

2. 2 величины д О. «ГЦ N.

10. Для расчета динамических характеристик электропривода с СРД в переходных режимах его работы произведено обобщение дискретной модели, разработанной для исследования установившихся режимов рассматриваемого электропривода, на общий случай переходных процессов. Представлены алгоритм, блок-схема и вычислительная программа на алгоритмическом языке «Фортран-ГУ», соответствующие указанной выше обобщенной дискретной модели.

11. Для расчета искомых величин исследуемого электропривода в переходных режимах его работы в тех случаях, когда матрица коэффициентов, составленная из индуктивностей и взаи.

— 190 моиндуктивностеп СРД, близка к вырожденной, предложен метод последовательных приближении, являющийся обобщением метода соответствующего установившимся режимам. Представлены также соответствующие методу последовательных приближений алгоритм, блок-схема и вычислительная программа на алгоритмическом языке «Фортран-1У» .

12. Проведен анализ динамики основного фона переходных процессов в СРД. В результате этого анализа получены: а) условия устойчивого входа в синхронизм СРД при его пуске в широком диапазоне варьирования приложенной к нему нагрузки и частоты питающего напряженияб) отвечающие этим условиям области значений постоянных параметров электропривода с СРДв) модифицированный вариант записи системы дифференциальных уравнений Парка-Горева, допускающий выделение указанных выше устойчивых переходных процессов в электроприводе с СРД.

13. Разработан математический метод определения значений постоянных параметров, входящих в исходную математическую модель электропривода с СРД. Этот метод основывается на возможности постановки и решения соответствующей оптимизационной задачи, сводящей искомую задачу по определению параметров СРД к задаче минимизации нелинейного функционала при известных ограничениях на рассчитываемые величины. Решение указанной выше оптимизационной задачи осуществляется методами нелинейного динамического программирования.

14. Проведены расчеты пусковых режимов двигателей ДРС-450 и ДРС-800 при питании их от тиристорного преобразователя частоты. При этом на основе полученных расчетов даны соответ.

— 191 ствующие рекомендации по эксплуатации и усовершенствованию конструкции этих синхронно-реактивных двигателей. Внедрение рекомендаций обеспечит годовой экономический эффект в размере 50,927тыс. рублей.