Реализация специальных режимов асинхронного электропривода с тиристорным управлением при питании от однофазной сети

Для механизмов многих технологических агрегатов, а также в общепромышленных установках всегда существует потребность в реализации специальных режимов эксплуатации асинхронных электроприводов. Создание таких режимов сопряжено во многих случаях с необходимостью осуществления пониженной частоты вращения, вплоть до ползучей скорости. Применение стандартных технических средств регулирования, например, преобразователей частоты только для реализации подобных режимов, нецелесообразно по технико-экономическим соображениям, если в основном рабочем режиме нет необходимости в регулировании частоты вращения электропривода. Часто бывает необходимым перевод механизмов на пониженную частоту вращения (создание «резервного хода») при снятии технологических нагрузок. В условиях низких температур такой режим позволяет, сохраняя ход механизмов на пониженной скорости, предотвратить смерзание смазки и облегчить последующий пуск асинхронного электропривода технологического агрегата до основной рабочей скорости. Кроме того, в процессе монтажа механического оборудования постоянно существует потребность прокрутки электроприводов механизмов на пониженных ступенях частоты вращения, в том числе на «ползучей скорости» при питании АД по временной схеме, используя однофазную сеть. Причем потребность в этом в большей степени имеет место при наладке агрегатов большой мощности, электроприводы которых реализованы на базе высоковольтных асинхронных электродвигателей, а также синхронных с пусковой беличьей клеткой. К ним относятся электроприводы шаровых мельниц, обжиговых печей и других механизмов горно-обогатительных предприятий и цементно-доломитового производства. При проведении ремонтных работ на прокатных станах такие специальные режимы позволят в черновой группе прокатных клетей (электропривод которых, как правило, выполнен на базе высоковольтных электродвигателей переменного тока), осуществить с помощью низковольтных устройств прокрутку прокатных валков и его подшипниковых узлов. Необходимость такой операции обусловлена тем, что возникновение многократных ударных динамических моментов при прямом пуске часто приводит к срыву вкладышей подшипников и другим неполадкам. Кроме того, в условиях электроремонтных цехов обычно не проводятся испытания высоковольтных двигателей подачей питающего напряжения и не создаются режимы работы для обкатки узлов трения в виду отсутствия высоковольтного напряжения и оборудования соответствующего исполнения. В этой ситуации реализация специальных режимов электродвигателей переменного тока с использованием пониженного напряжения до 1000 В становится весьма актуальной.

На кафедре электроники и микроэлектроники МГТУ была установлена возможность практической реализации на базе АД с тиристорным управлением специальных режимов за счет установления пониженных ступеней пониженной частоты вращения в условиях использования однофазной питающей сети. Применение однофазной сети для этих целей обусловлено тем, что создание специальных режимов работы высоковольтных асинхронных электроприводов может потребовать применения нестандартных значений напряжения, что в трехфазной системе питающего напряжения не всегда может быть реализовано. Кроме того, использование однофазной питающей сети становится целесообразным в условиях удаленных фермерских хозяйств и других объектов хозяйственного назначения. Таким образом, в диссертационной работе поставлена и решена задача реализации специальных режимов работы асинхронного электропривода на пониженной частоте вращения с тиристорным управлением и питании от однофазной сети является актуальной.

Целью работы является улучшение эксплуатационных и технологических показателей оборудования за счет реализации специальных режимов асинхронного электропривода с тиристорным управлением при однофазном питании.

Содержание работы изложено в четырех главах.

В первой главе проведен краткий обзор существующих технических средств, применяемых в асинхронных электроприводах различного назначения и выделены группы механизмов, для которых необходимо реализовать специальные режимы: обеспечение минимального хода технологического процесса, создание пониженной частоты вращения с целью точного позиционирования механического оборудования и инструмента в процессе монтажа и наладки его, обкатка подшипниковых узлов мощных электродвигателей и механического оборудования после ремонтов и замены узлов и др., На примере промышленных предприятий приведены объекты, для которых подобные режимы необходимы. Проведен обзор существующих способов и средств, реализующих подобные режимы и анализ возможностей квазичастотного управления в системе ТРН-АД. Обоснована потребность реализации специальных режимов при питании от однофазной сети. Сформулированы задачи по диссертационной работе.

Во второй главе обоснован принцип и алгоритмы формирования пониженной частоты, а также разработана математическая модель электропривода в которой реализованы предложенные алгоритмы управления вентилями при питании от однофазной сети. Дано обоснование предложенному принципу формирования пониженной частоты напряжения на АД при однофазном питании на основе понятия результирующий вектор. Приведены временные диаграммы фазных напряжений двигателя, поясняющие алгоритмы работы вентилей при формировании ступеней пониженной частоты 173, Ив, 179 и 1712. На основе разработанной компьютерной модели проведены расчеты типовых режимов и процессов, на основе которых установлена адекватность результатов вычислительных процессов реальным.

В третьей главе приведены результаты исследований на компьютерной модели переходных и стационарных процессов в системе НПЧ — АД при однофазном питании. Моделирование и анализ электромеханических процессов проводились при питании электропривода от сети с номинальным напряжением и при пониженным напряжении. Исследования процессов пуска и работы в режиме без нагрузки проводилось при формировании частоты 1/3:Гс- 1ЖС- 1/9:Гси 1/12^. Была определена нагрузочная способность двигателя в специальных режимах при питании номинальным напряжением и пониженным. Проведен также анализ гармонического состава.

Режим питания АД в предложенной системе электропривода при пониженном напряжении исследовался с позиции реализации специальных режимов электроприводов на базе высоковольтных электродвигателей. Наилучшая нагрузочная способность по моменту достигается при частоте 1/12^, что позволяет использовать данный режим для прокрутки механизмов, как основной.

В четвертой главе решены вопросы, связанные практической реализацией способа и алгоритмов формирования ступеней пониженной частоты вращения системы АД с тиристорным управлением при питании от однофазной сети. Дано описание экспериментальной установки и системы управления, реализованный на однокристальной ЭВМ КМ1816ВЕ48 с интерфейсной БИС серии К580 и других функциональных модулях, включая клавиатуру и шестизначный восьмисегментный дисплей. В данной главе приведено подробное описание вычислительного модуля и элементной базы всего отладочного устройства. В процессе подготовки к экспериментальным исследованиям были разработаны принципиальные схемы и изготовлены блоки, реализующие функциональные узлы микропроцессорной системы управления, разработаны алгоритмы и управляющие программы. Приведены результаты экспериментальных исследований в виде механических характеристик и фрагментов осциллограмм. Сопоставление расчетных и экспериментальных характеристик проведенное в работе показывает реализуемость разработанных алгоритмов формирования пониженных ступеней частоты и возможность использования их для создания специальных режимов асинхронного электропривода с тиристорным управлением при питании от однофазной сети.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Принцип формирования пониженной частоты вращения АД с тиристорным управлением при питании от однофазной сети положен в основу реализации специальных режимов асинхронных электроприводов механизмов технологических агрегатов.

2. Предложенные алгоритмы формирования симметричного трехфазного напряжения из однофазного питающего напряжения, позволяющие получить ряд ступеней пониженной частоты для питания трехфазного АД.

3. Компьютерная модель асинхронного электропривода, в которой на основе известного математического описания АД реализованы предложенные алгоритмы формирования трехфазного напряжения из однофазной сети, позволяющая исследовать электромеханические процессы в специальных режимах на различных ступенях пониженной частоты вращения.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные на модели и опытно-промышленной установке, подтверждающие возможность реализации предложенных алгоритмов для реализации специальных режимов асинхронных электроприводов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, направленная на реализацию в технологических агрегатах специальных режимов работы асинхронных электроприводов, реализованных на основе тиристорного управления при питании от однофазной сети. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты и выводы:

1. На основе изучения потребности в создании специальных режимов работы на пониженной частоте вращения установлена целесообразность реализации специальных режимов на основе тиристорного управления.

2. Предложены новый принцип и алгоритмы формирования пониженной частоты вращения в асинхронных электроприводах с тиристорным управлением при питании от однофазной сети.

3. На основе известного математического описания АД в трехфазной системе координат с учетом особенностей реализации предложенных алгоритмов формирования трехфазного напряжения из однофазной сети, разработана математическая модель системы электропривода, реализованная в виде компьютерной программы.

4. В результате проведенных исследований на компьютерной и физической модели была установлена возможность практической реализации специальных режимов в асинхронном электроприводе с тиристорным управлением при питании от однофазной сети при подаче как номинального фазного напряжения, так и пониженного напряжения с коэффициентами искажения синусоидальности тока, достигающими значения 0,6−0,7.

5. Установлено, что при питании электропривода номинальным напряжением с реализацией предложенных алгоритмов в режиме формирования частоты ИЪ достигается М=0,8МН при значении номинального тока, при более низких значениях частоты действующее значение тока практически в 2 раза превышает номинальное, что не ограничивает кратковременного использования этих режимов на практике.

6. В результате исследований проведенных при питании пониженным напряжением установлено, что по мере понижения частоты возрастает нагрузочная способность АД в специальных режимах, что позволяет использовать их в высоковольтных электроприводах с подачей напряжения величиной менее 1000 В.