Система асинхронного электропривода на базе машины двойного питания для конвейеров подачи сыпучих грузов

Экономичность, надёжность и регулировочные свойства электромеханических преобразователей (ЭМП) оказывают прямое влияние на расход электроэнергии и производительность электроприводов (ЭП). Помимо этого, характеристики двигателей часто определяют качество и уровень технологических процессов во многих отраслях промышленности.

Всё большее число ЭП, используемых в промышленности, становятся регулируемыми. До сих пор основным видом крупных и средних регулируемых ЭМП являются коллекторные машины постоянного тока. Однако невозможность дальнейшего увеличения единичных мощностей машин и частоты их вращения, улучшения динамики, перегрузочной способности, надежности и срока службы из-за ограничений, связанных с наличием щеточно-коллекторного аппарата, привела к необходимости разработки и применению бесколлекторных ЭП с питанием от сети переменного тока через тиристор-ные преобразователи. Эти машины приобретают особое значение там, где коллекторные машины либо совсем не могут обеспечить нормальную работу с заданными техническими требованиями, либо когда их использование связано с большими издержками обслуживания, простоями оборудования, то есть с потерями в производстве [1, 2].

К таким особым условиям необходимости применения ЭП переменного тока относятся: непрерывная длительность работы без технического обслуживания (приводы внутренних насосов на атомных станциях) — крайне высокая частота вращения, до 20 тыс. об/мин и выше (приводы газовых турбокомпрессоров) — работа в условиях агрессивной и взрывоопасной средыбольшие мощности приводов с двигателями 20 — 60 МВт [1,2].

В настоящее время на промышленных предприятиях широко используются ЭП, основанные на применении двигателей переменного тока. Наиболее распространены системы с асинхронным двигателем, имеющим фазный или короткозамкнутый (АДКЗ) ротор.

В отличие от двигателя с фазным ротором АДКЗ имеет более простое исполнение и меньшую стоимость. Но главным его недостатком является отсутствие возможности непосредственного управления по цепи ротора, что влечёт за собой наличие определённых ограничений, отражающихся на способности регулирования момента и скорости вращения вала двигателя. Системы, выполняющие глубокое регулирование скорости в ЭП с АДКЗ, являются сложными по своему принципу действия и настройке, соответственно требуют особых условий обслуживания. Так же, ограничивается возможность регулирования энергетических характеристик АДКЗ. Упомянутые недостатки позволяют устранить системы, основанные на использовании асинхронных двигателей с фазным ротором (АДФР), управляемых тиристорными преобразователями, включаемыми в цепь статора или ротора.

Актуальность работы определяется возрастающими потребностями современного производства в наиболее энергоэкономичных системах ЭП, которые могли бы обеспечить достаточное качество регулирования технологических параметров.

В силу запылённости, влажности и взрывоопасности окружающей среды многих производств, а также использования большого количества нерегулируемых АДФР — создание регулируемых систем подобных ЭП, является достаточно актуальной задачей. Также необходимо отметить, что при некоторых технологических условиях использование систем, позволяющих работать при скоростях как выше, так и ниже синхронной, позволит, не завышая мощности устанавливаемого оборудования, используя существующие двигатели, увеличивать качество регулирования производственного процесса.

Так, например, в металлургическом производстве при спекании агломерата одной из важнейших задач является обеспечение укладки шихты на аглоленту с заданной высотой слоя. Однако это связано с переходом сырья по нескольким зонам — бункеры шихты, транспортёрная лента, барабан оком-кователь, загрузочная воронка, барабан питателя. При сбое в подаче материала из бункеров шихты, что связано с залипанием материала или с полным выходом его из бункера, на транспортёрной ленте образуются «воронки», а 6 при срабатывании виброобрушивающих устройств — «горки». Переход сырья через следующие зоны до аглоленты сглаживает влияние описанного явления, однако, ущерб от «неровностей», образованных в описанном случае является достаточно значительным. При управлении скоростью транспортёрной ленты, доставляющей шихту в барабан окомкователь таким образом, что при образовании «воронки» скорость ленты в определённый момент времени будет увеличена, а при образовании «горки» снижена на 50−90%, существует возможность практически сгладить влияние залипания материала в бункерах шихты. Подобная функциональность системы может быть выполнена только при использовании автоматизированного ЭП переменного тока (в силу запылённости окружающей среды), способного работать при скоростях как выше, так и ниже синхронной в кратковременных режимах при условии регулирования скорости в диапазоне от нуля до 200% синхронной.

Современная элементная база позволяет разрабатывать системы ЭП, не уступающих по надёжности системам, построенным с использованием двигателей постоянного тока. В этой связи наиболее экономичными проявили себя ЭП, спроектированные на основе схем машины двойного питания (МДП) и асинхронного вентильного каскада (АВК). Важным свойством этих систем, в сложившихся условиях стремления промышленных предприятий к максимальной экономии потребляемой электроэнергии, является возможность реализации энергии скольжения. В связи с этим встаёт вопрос о поиске и разработке новых схемных решений для управления ЭМП, включенным по схеме МДП и АВК.

Работа выполнена на кафедре электропривода Липецкого государственного технического университета в рамках программы «Создание новых систем электропривода переменного тока».

Объектом исследования являются силовые цепи и измерительные цепи управления ЭП, разработанные на основе синтеза асинхронного двигателя, включенного по схеме МДП, и управляемых преобразователей, включаемых в цепь ротора. 7.

Цель работы: совершенствование систем управления АДФР, работающих в режиме машины двойного питания.

Идея работы: построение системы скалярного управления АДФР с использованием режима фиксации угла вектора добавочного напряжения, вводимого в цепь роторной обмотки.

Задачи, которые ставились и выполнялись в ходе работы:

— исследование свойств асинхронного ЭП, работающего по схеме МДП с преобразователем, ведомым ЭДС ротора;

— определение особенностей работы данного ЭП и построение, в соответствии с этим, системы управления скоростью вращения вала асинхронного двигателя;

— математическое моделирование АДФР как объекта управления в схеме.

МДП;

— построение векторной модели разомкнутой и замкнутой систем ЭП;

— создание испытательного стенда на основе системы асинхронного ЭП, включенного по схеме МДП, и проведение экспериментальных исследований;

— анализ результатов, полученных в ходе проведения эксперимента и математического моделирования.

Методы исследования:

— математическое моделирование;

— программирование с помощью интегральной математической системы для научно-технических расчётов MATHCAD 2001;

— численные методы решения задач на ЭВМ;

— методы экспериментального подтверждения.

Научная новизна:

— получены аналитические зависимости, описывающие статические характеристики ЭП, работающего по схеме МДП с управляемым преобразователем, включенным в цепь ротора и ведомым ЭДС ротора;

— построены векторные модели разомкнутой и замкнутой системы 8 асинхронного ЭП, работающего по схеме МДП с управляемым преобразователем, включенным в цепь ротора и ведомым ЭДС ротора;

— предложен метод определения значения и знака электромагнитного момента асинхронного электродвигателя в зависимости от положений векторов токов статора и ротора;

— предложен метод расчёта резисторно-конденсаторного устройства стабилизации пускового момента замкнутой системы ЭП, работающего по схеме МДП с преобразователем, ведомым ЭДС ротора.

Практическая ценность:

— При установке системы на конвейеры, участвующие в укладки шихты на агломерационную ленту в металлургическом производстве, можно обеспечить компенсацию возмущений, влияющих на равномерность потока материала во времени. При этом уменьшается себестоимость и улучшается качество выпускаемого агломерата;

— система ЭП построена на основе краново-металлургического АДФР и системы автоматического управления, подобной применяемым в управлении двигателями постоянного тока, что позволит использовать серийное оборудование;

— измерение ЭДС ротора посредством оптронного устройства, собранного по трёхфазной мостовой схеме, даёт возможность не использовать датчики, передающие сигналы в систему управления, при формировании фазы напряжения, подаваемого на роторную обмотку;

— в предложенной схеме ЭП двигатель может работать при скорости как выше так и ниже синхронной, поэтому нет необходимости завышать установленную мощность ЭП в тех случаях, когда требуется кратковременное увеличение скорости вращения вала до величины больше синхронной.

На защиту выносятся:

— результаты исследования режимов работы АДФР в системе МДП с преобразователем, ведомым ЭДС ротора;

— результаты математического моделирования разомкнутой и замкну9 той системы ЭП, работающего по схеме МДП с преобразователем, ведомым ЭДС ротора;

— методики и результаты аналитического расчёта разомкнутой и замкнутой системы ЭП, работающего по схеме МДП с преобразователем, ведомым ЭДС ротора;

— данные, полученные в результате проведения экспериментов;

— сравнительный анализ энергетических показателей ЭП, собранного по схеме МДП, АВК, и частотно управляемого ЭП.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на IV Международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» г. Москва, 2000 г.- на 2-ой Международной конференции стран СНГ «Молодые учёные — науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения» г. Москва, 2000 г.- на III Международной (XIV Всероссийской) конференции «Автоматизированный электропривод» г. Нижний Новгород, 2001 г.- на Международной научно-практической конференции «Теория и практика имитационного моделирования и создание тренажёров» г. Пенза, 2001 г.- на молодёжной научно-технической конференции технических ВУЗОВ центральной России г. Брянск, 2000 г.- на научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Наша общая окружающая среда» г. Липецк, 2000 г.- на ежегодных научных конференциях и семинарах ЛГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и 7 приложений. Общий объём диссертации 205 е., в том числе 171 с. основного текста, 50 рисунков, список литературы из 105 наименований, 7 приложений на 25 страницах.

Выводы.

1. При использовании в замкнутой системе ЭП, включенного по схеме МДП с управляемым преобразователем в цепи ротора, двухконтурной подчинённой САУ ЭП, существует возможность путём параллельного подключения к цепи ротора дополнительного корректирующего звена, представляющего собой активно-емкостную нагрузку, компенсировать изменение пускового момента при разгоне вала. Данная САУ позволяет формировать механические характеристики по виду идентичные характеристикам систем, основанных на использовании двигателей постоянного тока. Достоинством является применение в данном случае одноканального регулирования.

2. Исследуемая система ЭП может быть оптимизирована по следующим параметрам: значения напряжений, подводимых к цепям статорной и роторной обмотокугол отклонения вектора напряжения, подаваемого на ротор двигателя, от вектора ЭДС ротора. Окончательное решение о проведении оптимизации по тому или иному параметру диктуется требованиями определённого технологического процесса.

3. Изменение угла отклонения вектора напряжения, подаваемого на ротор двигателя, от ЭДС ротора позволяет не только достигать оптимальных режимов работы по тем или иным критериям, но и производить регулирование реактивной энергии, потребляемой через статорную обмотку ЭП независимо от процессов, протекающих в цепи обмотки ротора асинхронного двигателя.

4. Энергетические показатели данного типа ЭП в сравнении с АВК и частотным регулированием показывают целесообразность использования подобных систем в случаях, когда производительность технологических механизмов увеличивается при возможности обеспечения работы в зонах скоростей как выше синхронной, так и при пониженных скоростях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи построения электропривода переменного тока, включенного по схеме машины двойного питания с преобразователем управляемым в функции ЭДС ротора, путём использованием режима фиксации угла вектора добавочного напряжения, вводимого в цепь роторной обмотки.

Материалы работы позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. В агломерационном производстве применение МДП с диапазоном регулирования скорости как ниже, так и выше синхронной, при модернизации ЭП конвейера подачи шихты (от бункера шихты спекательного отделения до барабана окомкователя) позволит регулировать поток материала во времени, тем самым достичь снижения себестоимости и увеличения качества производимого агломерата.

2. Использование оптронного устройства, формирующего сигнал управления в функции ЭДС ротора, позволяет реализовывать канал регулирования частоты на выходе преобразователя непосредственно в силовой части схемы. Данная особенность даёт возможность при построении замкнутой системы не использовать датчики, определяющие мгновенное положение опорных векторов электромагнитных величин, что свойственно для существующих систем МДП.

3. АДФР, включенный по схеме МДП с преобразователем, управляемым в функции ЭДС ротора, может работать как при скоростях ниже синхронной, так и при скоростях, превышающих значение синхронной скорости, без использования сложных САУ и пусковых устройств.

4. Рассматриваемая разомкнутая система имеет статические механические и электромеханические характеристики, позволяющие синтезировать её с САУ, подобной системам, используемым для ЭП постоянного тока, что выгодно отличает данную систему от других ЭП переменного тока.

5. С целью стабилизации пускового момента замкнутой системы ис.

171 следованного электропривода в цепь ротора введено резисторно-конденсаторное корректирующее устройство. При этом схема данного устройства является достаточно простой.

6. При выборе АДФР с коэффициентом трансформации большим единицы, нет необходимости использовать повышающий трансформатор в цепи ротора, позволяющий обеспечить требуемое по условию создания двигательного момента соотношение значений напряжений, подаваемых на статор и ротор. Это позволит сократить стоимость установки, уменьшить общие потери (в связи с отсутствием дополнительного звена цепи ротора) и увеличить коэффициент мощности объекта в целом.

7. Моделирование системы управления значением угла, формирующегося между вектором напряжения, подаваемого на ротор АДФР, и вектором ЭДС ротора, показывает, что при управлении данным параметром в исследованной схеме можно регулировать реактивный поток энергии, потребляемой через обмотку статора двигателя.

8. Анализ систем управления асинхронными двигателями (АВК, частотное управление, электропривод, включенный по схеме МДП с преобразователем, ведомым ЭДС ротора) показывает, что регулирование скорости вала в широком диапазоне частот в предложенной схеме ЭП является наиболее выгодным по энергетическим показателям.