Пусковые режимы асинхронных электродвигателей в системе электроснабжения подземных горных и транспортных машин

Актуальность работы. Асинхронный электродвигатель с коротко-замкнутым ротором (АД) является лучшим электромеханическим преобразователем энергии с точки зрения простоты его конструкции, высоких энергетических показателей и технологии изготовления. На протяжении более чем 100 лет этот тип двигателя доминирует во всех областях промышленности. На нем базируется основная часть промышленного электропривода (ЭП). Практически весь электропривод подземных горных и транспортных машин (ГТМ) использует в качестве электромеханических преобразователей энергии именно этот тип электродвигателя.

Исходное математическое описание АД условно несложно. Существует несколько общепринятых математических моделей этого электродвигателя. Известны модели для описания физического состояния АД, как для статических режимов работы, так и для динамических. Разработаны методы исследования этих моделей.

Для горных и транспортных машин (проходческие и очистные комбайны, скребковые конвейеры, породопогрузочные машины и др.) возможно существование только динамических режимов работы, когда или нагрузка на исполнительных органах непрерывно изменяется, или происходят процессы пуска или торможения приводов.

Динамические процессы пуска имеют существенное значение для горных и транспортных машин с точки зрения надежности и срока службы машины. Эффективность процесса пуска во многом определяет эффективность работы электропривода в целом, поэтому на процессы пуска электроприводов в последние годы обращено внимание большого количества разработчиков систем управления электроприводов и пусковой аппаратуры. Среди них: General Electric [1], ПРОМЭЛЕКТРОАВТОМАТИКА [2], КУЗБАССЭЛЕКТРОМОТОР [3], ADD ENGINEERING [4], SIEMENS[5], ЗАО «НТЦ Приводная Техника"[6] и многие другие. Появились, и широко используются в промышленности устройства плавного пуска (У 1111 или софтстартеры — SoftStarter) [7 — 11].

Вопросами, связанными с изучением пусковых режимов асинхронных электродвигателей, занимались С. Н. Вешеневский, П. Д. Гаврилов, С. И. Гамазин, Е. К. Ещин, И. П. Копылов, В. И. Ключев, К. П. Ковач, В. А. Ладензон, А. М Мей-стель., И. И Петров, Л. П. Петров, Р. Г. Подзолов, В. В. Панкратов, Д.Б. Понаров-кин, И Рац, A.C. Сандлер, М. Г. Чиликин, С. А. Цырук, A.B. Яковлев и другие. Этими учеными сформирована теория поведения АД, изучены статические и динамические пусковые характеристики асинхронного электропривода, предложены различные методы пуска АД, разработаны устройства, улучшающие пусковые характеристики АД.

Однако до настоящего времени остаются до конца не изученными вопросы пуска асинхронных электродвигателей в системе электроснабжения с ограниченной мощностью и с электродвигательной нагрузкой. Именно такой вариант пуска характерен для электроприводов горных и транспортных машин. При этом двигатель, находящийся в режиме пуска сам, находится в неблагоприятных условиях эксплуатации и оказывает существенное отрицательное влияние на работу всей системы электроснабжения. По сути, неуправляемый режим пуска мощного АД, — это предельный режим его работы, близкий к аварийному.

В этой связи, описание, объяснение и прогнозирование условий работы электродвигателей, объединенных системой электроснабжения в единый электротехнический комплекс, является актуальной задачей, для решения которой необходимо следующее: разработка методов автоматизированного синтеза структур систем электроснабжения с электродвигательной нагрузкойразработка инструментальных средств синтеза структур систем электроснабжения с электродвигательной нагрузкойизучение особенностей пусковых режимов АД как одиночных, так и входящих в состав комплексаизучение возможностей формирования приемлемых показателей качества пусковых режимов АД.

Цель работы — разработка методов автоматизированного синтеза структур систем электроснабжения с электродвигательной нагрузкой, а также инструментальных средств для исследования пусковых режимов работы многодвигательных электроприводов горных и транспортных машин на базе асинхронных электродвигателей (многосвязных электромеханических преобразователей) в системах электроснабжения с источником питания ограниченной мощности.

Идея работы состоит в использовании интегрированных средств компьютерного моделирования многодвигательных электроприводов горных и транспортных машин на базе асинхронных электродвигателей в системах электроснабжения с источником питания ограниченной мощности.

Основные научные положения интегрированная математическая модель системы многосвязных электромеханических преобразователей позволяет производить синтез структуры системы электроснабжения многодвигательных электроприводов горных и транспортных машиноценка состояния элементов системы электроснабжения с электродвигательной нагрузкой в динамических режимах может производиться на основе интегрированной математической модели, которая комплексно учитывает явления, связанные с обменом энергией между ее компонентами, изменением параметров электродвигателей в процессе пуска, влиянием условий передачи энергии от источника энергии к электродвигателямснижение пульсаций электромагнитного момента и токов асинхронного электродвигателя при его пуске возможно осуществить первоначальной подачей на обмотку статора электродвигателя напряжения питания, равного напряжению сети, дальнейшим переводом электродвигателя в режим динамического торможения на заданное время и последующей подачей на обмотки статора напряжения, равного напряжению сети.

Методы исследований.

При выполнении работы использовались математические и экспериментальные методы исследований. Вопросы моделирования динамических систем высокого порядка решались на основе численных методов решения дифференциальных уравнений, численных методов решения линейных и нелинейных алгебраических уравнений. При разработке интегрированной математической модели системы электроснабжения с электродвигательной нагрузкой использовались алгоритмы на основе теории графов. Для решения вопросов эффективного управления пуском асинхронных электродвигателей был применён принцип максимума Л. С. Понтрягина.

Научная новизна разработана интегрированная математическая модель, описывающая многосвязные электромеханические преобразователи (асинхронные электродвигатели), находящиеся в единой системе электроснабжения произвольной структуры, позволяющая осуществлять прогнозирование динамических режимов работы системыразработаны алгоритмы синтеза математических моделей заданных структур электромеханических системразработан способ пуска асинхронного электродвигателя для нерегулируемых электроприводов, обеспечивающий улучшение показателей динамических процессов пуска.

Практическая ценность заключается: в разработке программного средства (ЗшшШМБ) для исследования пусковых режимов многосвязных электромеханических систем на базе асинхронных электродвигателейв создании библиотеки визуальных компонентов для средства визуального моделирования SIMULINK, с помощью которой можно создавать имитационные модели электромеханических систем различной сложностив разработке способа плавного пуска асинхронного электродвигателя, позволяющего получить приемлемые показатели качества для нерегулируемых асинхронных электроприводов.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается:

— корректным применением фундаментальных положений теории электромеханического преобразования энергии, численных методов анализа, теории графов, идеологии объектно-ориентрованной обработки информации к процедуре синтеза интегральной математической модели системы электроснабжения произвольной конфигурации с электродвигательной нагрузкой с использованием допущений, основанных на результатах теоретических и экспериментальных исследований;

— корректностью постановки задач и адекватностью используемого математического аппарата исследуемым процессам;

— удовлетворительной сходимостью численных результатов аналитических исследований с результатами экспериментов (погрешность 3−5%) проведенных в лабораториях ООО «Промышленная Группа ТЭЛ Таврида Электрик» (г. Москва), НИИ взрывозащищенных электрических машин (г. Кемерово).

Реализация результатов. На основе предложенной в диссертационной работе интегральной математической модели разработаны и внедрены:

— в НИИ взрывозащищенных электрических машин (г. Кемерово) — программно — инструментальный комплекс SimulEMS (Simulation Electro Mechanical System);

— в ООО «Промышленная Группа ТЭЛ Таврида электрик» (г. Москва) -программное средство моделирования переходного процесса при отключении параллельно подключенных асинхронных двигателей и активной нагрузки «K.P.О.С.» (Комплекс Расчета Отключения Системы).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении» (г. Санкт-Петербург, 2000 г.), первом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Москва, 2000 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 2000 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе получено Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и приложений, изложенных на 172 страницах машинописного текста, содержит 91 рисунок, 5 таблиц, список литературы, включающий 113 наименований.

5.3 Выводы и рекомендации.

1. Установлено, что нормативные документы по расчету деталей трансмиссий на прочность и долговечность не отражают реальных условий нагружения горных и транспортных машин в процессе эксплуатации. Наблюдается несоответствие расчетных и фактических режимов нагружения, вызванное недостоверным выбором модели процесса. Существующие методы расчетов нагруженности элементов трансмиссии не дают удовлетворительной сходимости с данными экспериментальных исследований. До настоящего времени отсутствует достоверная объективная информация о реальных режимах нагружения деталей горных машин.

2. Выявлено, что при исследовании предельных режимов работы приводов горных машин недопустимо использовать приведенные расчетные схемы для оценки динамического состояния электромеханических систем этих машин из-за существования моментов времени стремления реального передаточного числа к бесконечности или нулю и возникающей при этом неконтролируемой погрешности расчетов.

3. Предложено уточнение эксплуатационной нагруженности деталей горных машин в режимах пуска и стопорения вести на основе использование модели механического передаточного устройства как совокупности вращающихся масс зубчатых колес и валов. Подобный подход приводит к построению аналитических конструкций, описывающих перемещения зубчатых колес и валопроводов МПУ в виде системы дифференциальных связей высокого порядка. Результаты использования такого типа моделей дают возможность оценить состояние и влияние параметров ка-эюдого элемента, участвующего в процессе электромеханического преобразования энергии при работе горной машины, начиная с трансформатора и заканчивая зубчатыми колесами, валопроводами МПУ и исполнительными органами.

ГЛАВА 6. АЛГОРИТМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ КВАЗИОПТИМАЛЬНОЙ УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ЗАПУСКА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

В параграфе 2.2.1 приводится критическая оценка неуправляемого запуска асинхронного электродвигателя. Основной проблемой запуска асинхронного электродвигателя является значительная периодическая составляющая электромагнитного момента. В параграфе 2.2.3 описано, каким образом возможно осуществить снижение амплитуды периодической составляющей электромагнитного момента.

На этой основе можно сделать вывод, что форма статической механической характеристики является той характеристикой, которая обеспечивает наилучшее качество переходного процесса. В этой связи можно сформулировать задачу обеспечения формы желаемой динамической механической характеристики АД как задачу оптимального управления [107−110].

Если принять напряжение, подаваемое на статорную обмотку, за управляющее воздействие на систему, то задачу минимизации ударных пусковых моментов можно сформулировать как классическую задачу управления состоянием объекта [107−110].

В виде целевого функционала определим зависимость /1.

3 = {МтМ)2сИ пли, /° = (Мсп — М)2, /0 где МсПмомент, соответствующей желаемой механической характеристике в процессе пуска, Мэлектромагнитный момент на валу двигателя.

Уравнения движения электродвигателя предпочтительней записать в системе координат С/У, синхронно вращающейся со скоростью поля. В этом случае управляющим воздействием можно считать амплитуду питающего напряжения изи, полагая, что возможно допустить.

— Л, +сок =/хЛ б) к-р-б))-у/п, =/ - Л Л с1со 4 (М нагр-сол.

М—;

157, /5- л вИ'.

Решение можно получить с помощью принципа максимума Л. С. Понтрягина. При этом необходимо образование вспомогательной функции п /=0 где вспомогательная переменная определяется системой уравнений дН дН.

Уг — дН дН ц/ъ = дН.

5 = дсо.

Решение задачи можно получить алгоритмически, то есть не в виде аналитической зависимости управляющего воздействия изи от параметров состояния электродвигателя, а в виде последовательности вычисляемых значений управляющего воздействия, получаемых при совместном решении уравнений движения АД и системы для определения вспомогательных переменных с учетом равенства нулю функции Н при достижении экстремума.

Таким образом, сформируем следующую систему дифференциальных уравнений.

Г ац/ Я, л «Яг • К. «4 • с + -у/2—г-—5-щЪ + ~-у/5-у/гЬ+2-с-Ш-у/гЬ-, сИ Ьр5 Ьрг л 4-с с.

— И——у/5-у/, а-2-с-Ш-у/гаеИ Ьрх Ьрг вИ2 а и/3 • кг 1 Яг ", 4 • с ,.

——И + —³ + 5-^4-——^5−2-е-Ш-у/, ь.

Ж 1РГ у/ 4 Я5-Кг ^ Яг л 4-е.

Ж Ь Ь.

V5 о Л ш с1ц/ л с1у/ = и*иК*'*", +®-кЯг -1ги +{(0к — р-со)-ц/" = -К • ¡-ГУ +(&-кр-со)• у/гиж Ж с! со 4 (М М.

Ж вЭ'.

157 V где:

М = с • (у/ги • - ц/п ¦ у/$и) — ДМ = Мзаданное — М, р5 ' рг ь,+ь" г т 5.

Т+Т /+/ 2 • Т гк. у&trade- - составляющие потокосцеплений обмоток статора и ротора по осям и и V вращающейся со скоростью поля системы координат- ¿-5и, 1ги, -составляющие токов обмоток статора и роторар — количество пар полюсовсо — скорость вращения ротораМ- электромагнитный моментЬт — взаимоиндуктивность обмоток статора и ротораЬ5, Ьг — индуктивность обмоток статора и ротораГц, гг — сопротивления обмоток статора и роторасок — скорость вращения системы координаткоэффициент (я=(ок-р (о).

Управляющее воздействие или амплитуда напряжения, подводимого к обмотке статора, определяется следующим образом: при естественных ограничениях 0<�и5и<�итах.

Заданное значение электромагнитного момента (по статической характеристике) можно определить в виде: крит. ^ крит i м. со&bdquoзаданное.

Г 2 5 -0.01-Д,.// ^.

1-е Л 5 V крит где Мкрит — критическое значение электромагнитного моментазкрит — критическое значение относительного скольжения. Например, для ВРП160М4 Мкрит =300- 8крит =0,1.

0,02 0,04 0,05 0,00 0,1 0,12 0,14 0,1 Б 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,2 В 0,3 0,32 0,34 0, ЗБ 0,38 0,4.

Время, С.

Рисунок 71 — Пусковые характеристики асинхронного электродвигателя ВРП160М4 при оптимальном управлении.

Решение сформированной системы дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта дает алгоритмическое решение задачи управления с использованием принципа максимума Л. С. Понтрягина.

На рисунке 71 приведены совмещенные характеристики изменения угловой скорости ротора, значений электромагнитного момента и значений амплитуды напряжения, подводимого к обмоткам статора, позволяющего получить данные оптимальные механические характеристики пуска.

Проанализируем характер изменения управляющего воздействия Как видно из рисунка 71, напряжение на промежутке от 0,02 с до конца эксперимента практически не изменяется. Рассмотрим в более крупном масштабе начальный момент времени запуска асинхронного электродвигателя — рисунок 72.

Время, С.

Рисунок 72 — Напряжение щш подводимое к статорным обмоткам двигателя.

Первоначальный импульс напряжения, передний фронт которого нарастает по экспоненциальному закону, а также идущая за ним пауза, формируют небольшой по величине электромагнитный момент. За это время происходит плавный выбор зазоров и люфтов в механической части привода.

Второй импульс напряжения, а также идущая за ним пауза, формируют такое состояние электромагнитного поля, при котором периодическая составляющая электромагнитного момента стремится к нулю.

Для упрощения физической реализации управляющего воздействия исключим первый импульс и следующую за ним паузу. В результате получим характеристики, отображенные на рисунке 73.

Время, С.

Рисунок 73 — Пусковые характеристики асинхронного электродвигателя ВРП160.

Как видно из рисунка 73, несмотря на некоторое упрощение управляющего воздействия, качество переходного процесса остается достаточно высоким.

Были проведены испытания моделей асинхронных электродвигателей различных марок, с различной нагрузкой при различных начальных углах фаз питающего напряжения. Все эти модели при запуске вышеописанным методом показали высокое качество переходных процессов пуска асинхронного электродвигателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основе математических моделей асинхронных электродвигателей, находящихся в единой системе электромеханического преобразования энергии, решена задача разработки инструментальных средств для исследования пусковых режимов многодвигательных электроприводов горно-транспортных машин, имеющая существенное значение при решении вопросов проектирования и эксплуатации горно-транспортных машин.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты, выводы и рекомендации:

1. Разработана интегрированная математическая модель передачи и электромеханического преобразования энергии для многодвигательных приводов горно-транспортных машин, представляющая собой совокупность группы асинхронных электродвигателей, протяженной кабельной сети и источника энергии ограниченной мощности.

2. Разработана методика синтеза конечных математических моделей для конкретных многосвязанных электромеханических систем, питающихся от источника ограниченной или бесконечной мощности с несимметричными источниками ЭДС.

3. Разработана алгоритмическая реализация имитационной модели многосвязанных электромеханических систем, питающихся от источника ограниченной мощности.

4. В системе визуального моделирования Simulink разработана библиотека элементов электромеханической системы EMS, позволяющая компоновать произвольную электромеханическую систему.

5. Выполнены исследования динамических характеристик пуска асинхронного электродвигателя различными методами.

6. Исследовано влияние процесса пуска асинхронного электродвигателя на работу сопряженных электродвигателей, находящихся в той же электромеханической системе, в штатных и аварийных режимах.

7. Разработан способ пуска асинхронного электродвигателя, обеспечивающий снижение пульсаций электромагнитного момента и токов электродвигателя при его пуске.