Разработка крановых асинхронных электроприводов с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-X985 годы и на период до 1990 года» указано на необходимость повышения производительности труда в промышленности на 23−25% и получения за счет этого более 90% прироста продукции. Для повышения производительности труда в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, транспорте и т. д. требуется создание высокоэффективных средств автоматизации различных технологических процессов, а также модернизация существующих с учетом достижений науки и техники. Эта задача является весьма актуальной для исследователей и инженеров, работающих в области автоматизированного электропривода.

В связи с бурным развитием полупроводниковой техники наметилась тенденция применения управляемого тиристорного электропривода, которая стала основным направлением в работах по электрификации, автоматизации и оптимальному управлению механическими операциями технологических процессов во всех отраслях народного хозяйства /I/.

Особое значение имеет задача получения с помощью сравнительно простых средств хороших регулировочных свойств у асинхронного двигателя, как наиболее широко распространенного в народном хозяйстве преобразователя электрической энергии в механическую. Повышение управляемости асинхронного электропривода возможно путем воздействия на процесс преобразования энергии с целью формирования статических и динамических характеристик электропривода. Эта задача решается на основе применения тиристорных устройств, позволяющих осуществлять практически мгновенную коммутацию цепей двигателей. Как отмечается в /2/, основными направлениями развития управляемого асинхронного электропривода в настоящее время являются:

— параметрическое управление по цепи статора или ротора асинхронного двигателя и его разновидности — фазовое и импульсное управление;

— частотное управление;

— каскадные схемы соединения асинхронного двигателя с фазным ротором с машино-вентильными или вентильными преобразователями.

Частотное управление обеспечивает плавное и экономичное регулирование скорости в широких пределах. При этом наиболее перспективными являются тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью и с промежуточным звеном постоянного тока. Однако, широкому внедрению тиристорных преобразователей частоты в крановых электроприводах препятствует их сложность и большая стоимость. В последнее время тиристорные преобразователи частоты широко разрабатываются и исследуются как у нас в стране, так и за рубежом /5−8/. Тем не менее, имеется еще целый ряд нерешенных задач, связанных с проблемой упрощения и удешевления преобразователя частоты.

Для крановых электроприводов характерным является повторно-кратковременный режим работы, причем время работы на пониженной скорости составляет только 3−5%. Следовательно, потери энергии скольжения при регулировании скорости относительно малы и не имеют решающего значения при выборе системы электропривода, а определяющими становятся хорошие регулировочные свойства, простота и надежность электропривода. Поэтому в массовых крановых асинхронных электроприводах не нашли практического применения схемы с рекуперацией энергии скольжения (каскадные схемы), а широко распространены схемы с обычным реостатным регулированием скорости. Однако в настоящее время они не могут удовлетворить возросшим требованиям, предъявляемым к электроприводу в отношении диапазона регулирования скорости и момента двигателя, точности остановки, оптимальности протекания переходных процессов, согласования скоростей двигателей в многодвигательных приводах и т. п.

Наиболее разработанными из параметрических способов в настоящее время являются тиристорные крановые асинхронные электроприводы с фазовым управлением, в частности, с тиристорными регуляторами напряжения в статорной цепи /9,10/. Однако, последние имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что одновременно с уменьшением напряжения на статоре уменьшается поток двигателя, а это приводит к увеличению потребляемого тока и нагрева двигателя. Для уменьшения нагрева обычно применяют дополнительное реостатное регулирование в роторной цепи, что усложняет схему электропривода, ввиду необходимости одновременного управления в статорной и роторной цепях.

Общим недостатком систем с фазовым управлением в статорной и роторной цепях асинхронного двигателя является увеличение фазового сдвига тока статора по отношению к напряжению сети и тока ротора по отношению к ЭДС ротора, что ведет к повышенному нагреву двигателя и снижению его надежности при ручном управлении краном во время работы на пониженной скорости.

Одним из перспективных направлений для крановых электроприводов является асинхронный электропривод с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора, при котором достигается эффект плавного регулирования активного сопротивления в роторной цепи/3,4/. В этом случае условия нагрева двигателя практически такие же, как и при обычном реостатном регулировании. Наличие выпрямительного моста в роторе позволяет, с одной стороны, сравнительно просто выделить сигнал, близкий к ЭДС ротора, и реализовать замкнутую систему для получения жестких характеристик без применения тахогенератора. С другой стороны, роторный выпрямитель может быть использован для получения схемы динамического торможения асинхронного двигателя со смешанным возбуждением. Применение последнего способа вместо торможения противовключением, особенно при спуске грузов, ведет к повышению энергетических показателей электропривода /11−14/. Кроме того, в многодвигательных электроприводах при параллельном соединении роторных выпрямителей удается получить наиболее простым способом согласованное вращение двигателей с вполне достаточной для большинства случаев степенью согласования /15/. Наконец, наличие выпрямительного моста позволяет реализовать данный электропривод с рекуперацией энергии скольжения, что способствует улучшению его энергетических показателей.

Несмотря на свою перспективность, крановые асинхронные электроприводы с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора пока не нашли широкого практического применения, что является следствием как недостаточной разработки ряда теоретических положений, так и отсутствием простых, надежно работающих схем.

В /11−13, 16,17,65,66/ рассматривается работа такого электропривода со сглаживающим дросселем в цепи выпрямленного тока ротора, предназначенным для уменьшения пульсаций тока и обеспечения надежной работы тиристорного коммутатора, управляемого по ши-ротно-импульсному принципу. До настоящего времени вопросы, связанные с работой асинхронного электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора без сглаживающего дросселя, не проводились. Рассматриваемый в данной работе тиристорный коммутатор, управляемый по релейному принципу, обеспечивает работу электропривода как при наличии, так и при отсутствии сглаживающего дросселя. Исключение последнего позволит существенно улучшить массо-габаритные и стоимостные показатели электропривода.

Степень возникающего при этом ухудшения энергетических показателей, а также влияние значения индуктивности сглаживающего дросселя на динамические свойства электропривода требуют исследований.

Принципиально асинхронный электропривод с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора может быть реализован и с рекуперацией энергии скольжения в сеть. Поэтому при разработке и проектировании таких электроприводов необходимо решить вопрос об экономически целесообразной области применения схем без рекуперации энергии скольжения для всех краново-металлургических двигателей серий MTF и МТН по отношению к схемам с рекуперацией.

Для уменьшения раскачивания грузов при их транспортировке необходимо обеспечение плавности протекания переходных процессов. Отсюда возникает недостаточно рассмотренная в работах других авторов задача изучения влияния параметров разрабатываемого кранового асинхронного электропривода на ударный электромагнитный момент асинхронного двигателя.

Во всех работах, посвященных вопросам исследования динамики асинхронного электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора, использовался метод аналогового моделирования. Но он имеет ряд недостатков, таких, как невысокая точность результатов, практическая трудность вычисления ряда важных характеристик электропривода, например, КПД, коэффициента мощности, потерь в статоре и роторе и т. д. К тому же моделирование данного электропривода с учетом электромагнитной инерции обмоток АД, дискретности работы выпрямительного моста и тиристор-ного коммутатора требует мощных АВМ, недоступных широкому числу пользователей. Сочленение же 3−4 машин типа МН-7М не позволяет полностью исследовать широкий круг вопросов, касающихся рассматриваемого электропривода. К тому же, при анализе процессов на АВМ для учета дискретности работы выпрямительного моста и тиристорного коммутатора необходимо формировать логические сигналы, изменяющие структуру дифференциальных уравнений, описывающих работу асинхронного электропривода. Обычно в составе АВМ эти блоки отсутствуют, что приводит к дополнительным трудностям при моделировании .

По сравнению с АВМ, ЭЦВМ единой серии обладают большей универсальностью в отношении характера и точности решения сложных и больших по объему задач. Помимо этого, с помощью ЭЦВМ можно легко производить обработку полученных результатов. К недостаткам использования ЭЦВМ можно отнести большое время на подготовку и отладку программ. Для его уменьшения в диссертационной работе предлагается эффективный алгоритм решения системы неявных дифференциальных уравнений с разрывными коэффициентами и даны рекомендации по его практическому применению при моделировании на ЭЦВМ.

Исследование и разработка асинхронного электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора и его применение на крановых механизмах взамен электроприводов с реостатным управлением позволит повысить производительность кранов, дать значительную экономию электроэнергии, увеличить надежность и срок службы оборудования.

В связи с вышеизложенным, в работе были поставлены и решались следующие основные задачи:

— разработка цифровой математической модели асинхронного электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора для двигательного режима, которая учитывала бы электромагнитную инерцию обмоток асинхронного двигателя, дискретность работы выпрямительного моста и тиристорного коммутатора;

— исследование на математической модели и экспериментальной установке влияния параметров электропривода на его статические, динамические и энергетические характеристики;

— разработка математического описания и цифровой модели рассматриваемого электропривода в режиме динамического торможения со смешанным возбуждением, учитывающих одновременную несимметрию статорной и роторной цепей, электромагнитную инерцию обмоток асинхронного двигателя, дискретность работы выпрямительного моста и тиристорного коммутатора, а также явление насыщения магнитной цепи асинхронного двигателя по пути главного магнитного потока;

— определение экономически обоснованной области применения разработанных схем без рекуперации энергии скольжения в сеть по отношению к схемам с рекуперацией;

— разработка и исследование макетных образцов асинхронных электроприводов с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора для крановых механизмов подъема и передвижения.

5.5. Выводы.

1. Полученные экспериментальным путем механические характеристики показали, что разработанный электропривод обеспечивает необходимый диапазон регулирования скорости D = 15−20:1 для крановых механизмов.

2. Проведенные исследования динамических режимов электропривода макетных образцов крановых механизмов подъема и передвижения подтвердили возможность ограничения пиков электромагнитного момента путем формирования реостатной характеристики с большим добавочным сопротивлением в роторной цепи, а также заданием темпа нарастания тока ограничения.

3. Разработанные блоки систем управления ТК, реализующие релейный принцип управления, могут быть использованы как для одно-двигательного, так и для многодвигательного кранового электропривода без каких-либо изменений в нем.

4. Лабораторные и производственные испытания макетных образцов асинхронного электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора подтвердили их работоспособность и соответствие основным требованиям, предъявляемым к электроприводу этих механизмов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана математическая модель асинхронного электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора, учитывающая электромагнитную инерцию обмоток АД, дискретность работы ЕМ и ТК. При этом вентили ВМ заменены RL-цепями, параметры которых целесообразно принимать равными: для открыто.

— 3 3 го состояния — 10, для закрытого — 10' .

2. Показано, что уменьшение пиков электромагнитного момента может быть достигнуто увеличением индуктивности сглаживающего дросселя, воздействием на ток отсечки, формированием реостатной характеристики с большим добавочным сопротивлением в роторной цепи на время, обусловленное срабатыванием релейно-контактор-ной аппаратуры. Путем математического моделирования и экспериментальных исследований установлено, что последний способ при значениях Кдоб=^гн и t ^ 0,1 с позволяет практически полностью устранить колебания момента, связанные с электромагнитными явлениями в двигателе при любых реальных значениях индуктивности сглаживающего дросселя.

3. Установлено, что работа электропривода без сглаживающего дросселя не приводит к существенному изменению его энергетических показателей. Увеличение индуктивности сглаживающего дросселя до практически приемлемых значений без учета его активного сопротивления улучшает значение КПД не более 4%. Влияние индуктивности сглаживающего дросселя на коэффициент мощности Км неоднозначно. При работе на основной характеристике увеличение индуктивности СД улучшает значение (до 5%). Однако, на пониженной скорости при работающем ТК происходит его ухудшение (до 3%).

4. Предложена методика расчета статических характеристик.

АД с применением разработанной математической модели, и в результате проведенных расчетов установлено, что включение ВМ в роторную цепь практически не приводит к уменьшению критического момента двигателя.

5. Разработана математическая модель электропривода в режиме динамического торможения со смешанным возбуждением, учитывающая одновременную несимметрию статорной и роторной цепей, электромагнитную инерцию обмоток двигателя, дискретность работы ВМ и ТК, а также явление насыщения магнитной цепи АД по пути главного магнитного потока, для исследования статических и динамических характеристик этого режима.

6. Установлено, что в крановых электроприводах с продолжительностью работы на пониженной скорости 3−5% экономически целесообразными являются схемы электропривода без рекуперации энергии скольжения в сеть, а схемы с рекуперацией могут быть использованы лишь при мощностях двигателей более 100 кВт.

7. Разработаны макетные образцы кранового асинхронного электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора, прошедшие успешные производственные испытания в ПО «Динамо» (г. Москва) .