.

Регульований електропривод турбомеханізмів за схемою вентильного двигуна зі збудженням змінним струмом: Автореф. дис… канд. техн. наук / І. Бардавіл

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 2684
Скачать документ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Бардавіль Імад
(Сірія)

УДК 62-83: 621.313

РЕГУЛЬОВАНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД ТУРБОМЕХАНІЗМІВ
ЗА СХЕМОЮ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГУНА
ЗІ ЗБУДЖЕННЯМ ЗМІННИМ СТРУМОМ

Спеціальність 05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи

АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ – 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизації управління електротехнічними комплексами Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”).

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
Чермалих Валентин Михайлович,
завідувач кафедри автоматизації управління електротехнічними комплексами НТУУ “КПІ”.
Офіційні опоненти – заслужений діяч науки і техніки,
доктор технічних наук, професор
Родькін Дмитро Йосипович,
професор кафедри систем автоматичного керування та електропривода
Кременчуцького державного політехнічного інституту;
– кандидат технічних наук, доцент
Пересада Сергій Михайлович,
доцент кафедри електроприводу і автоматизації
промислових установок
НТУУ “КПІ”.
Провідна установа – Інститут електродинаміки НАН
України.

Захист відбудеться “ 09 “ червня 1999 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої Ради К 26.002.06 при Національному технічному університеті України “КПІ”, корп. № 20, ауд. 3.
Відгуки на автореферат в двох екземплярах, скріплених печаткою уста-нови, просимо надсилати за адресою:
252056, Київ-56, проспект Перемоги, 37, Вченому секретарю.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного техніч-ного університету України “КПІ”.

Автореферат розісланий “ 07 “ травня 1999 р.

Вчений секретар
Спеціалізованої Ради Б. М. Кондра

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Впровадження передових технологій і створення сучасного обладнання потребує все більш широкого застосування регульованого електропривода, що дозволяє не лише підвищити якість технічного процесу, але й зменшити споживання електричної енергії.
Турбомеханізми (доцентрові насоси, вентилятори, турбокомпресори і т.ін.) є машинами широкого застосування. Близько 25% всієї електроенергії, що її виробляють у країнах СНД, витрачається приводами турбомеханізмів. Тому технічне вдосконалення і підвищення економічності електроприводів цих машин належать до головних завдань, які визначають раціональне використання електроенергії. Під економічністю електропривода розуміють не лише його найменшу вартість, але й таку якість, як регульованість.
Потужність турбомеханізмів лежить в досить широких межах. Швидкості обертання робочого колеса також різні (від 100 об/хв вентиляторів великих градирень до 20000 об/хв надшвидкісних турбокомпресорів). Однак, незважаючи на різноманітність механізмів за призначенням, умовами роботи, основними параметрами, їх характеристики з точки зору вимог і умов роботи електропривода мають багато спільного.
До недавнього часу практично в усіх країнах для приводів турбомеханізмів застосовувались майже винятково нерегульовані електроприводи на основі синхронних або асинхронних машин. Це пояснювалось, головним чином, відсутністю в ті часи технічних засобів для створення достатньо потужних регульованих електроприводів змінного струму.
Одною з важливих обставин, що підтверджують доцільність застосування регульованого електропривода, зв’язану з тим, що режим роботи багатьох турбомеханізмів (насосів комунального і промислового водопостачання, шахтних вентиляторів, енергетичних турбокомпресорів) в більшості випадків є принципово невизначеним.
Це не дозволяє на стадії проектування вибрати робочу машину, яка оптимально задовольняє режим роботи системи, більш того в процесі експлуатації режим роботи установки суттєво змінюється. За таких умов оптимізація роботи турбомашини можлива тільки при регулюванні швидкості обертання робочого колеса.
Передові в технічному відношенні фірми Німеччини, США, Японії застосовують для турбомеханізмів такі регульовані приводи, як наприклад, вентильні каскади, машини подвійного живлення, індукторні муфти ковзання, вентильні двигуни. Вентильний двигун (ВД) на основі синхронної машини, являючи собою найбільш досконалу систему електропривода, звичайно застосовується для потужних турбомеханізмів. Для середніх потужностей перспективною є системи електропривода по схемі ВД на основі асинхронної машини (АМ) з фазним ротором зі збудженням постійним або змінним струмом.
За останні два десятиліття в світовій практиці накопичено великий досвід створення ВД на основі загальнопромислових синхронних машин або машин спеціальної конструкції. Тим часом ВД на основі АМ з фазним ротором досліджені недостатньо як в теоретичному, так і в експериментальному відношенні.
Через це дослідження характеристик і оптимізація параметрів ВД на основі АМ, які виконані в даній роботі, є актуальним завданням.
Мета дисертації – визначення характеристик ВД на основі АМ зі збудженням змінним струмом, оптимізація параметрів силового перетворювача та частоти струму збудження, а також розробка методів отримання механічних характеристик з заданими властивостями при нереверсивному і реверсивному магнітному полі збудження, яке обертається. Це дозволить використовувати принципи ВД при реконструкції діючих електроприводів турбомеханізмів з метою поліпшення їх регулювальних та енергетичних показників.
Для досягнення мети необхідно розв’язати такі завдання:
• встановити аналітичні залежності, які описують основні характеристики ВД зі збудженням змінним струмом на основі схеми заміщення, яка є частковим випадком відповідної схеми машини подвійного живлення;
• дослідити характеристики ВД в рушійному режимі та встановити залежність граничного електромагнітного моменту від кута  випередження відпирання вентилів інвертора;
• дослідити вплив частоти поля збудження на характеристики ВД і визначити оптимальну частоту напруги збудження, яка забезпечує мінімальну сумарну потужність перетворювачів;
• виконати аналіз режиму роботи ВД при реверсуванні напрямку обертання поля збудження для отримання робочих швидкостей з мінімальним енергоспоживанням;
• виконати аналіз ступеня використання установленої потужності асинхронної машини в схемі ВД.
Методи досліджень. Виконані дослідження базуються на фундаментальних положеннях електродинаміки та теорії автоматизованого електропривода; в ході аналізу використовується коректний апарат алгебри та математичного аналізу. При дослідженні системи керування ВД застосовано метод структурного моделювання з використанням ЕОМ.
Наукова новизна. В дисертації:
• теоретично досліджений ВД з природною комутацією на основі АМ з фазним ротором, доведено, що завдяки полю збудження, яке обертається, забезпечена машинна комутація вентилів інвертора в усьому діапазоні частот обертання, в тому числі – при запусканні;
• обгрунтована можливість дослідження характеристик ВД по схемі заміщення аналогічно відповідній схемі АМ з нормальним живленням і яка є частковим випадком схеми заміщення машини подвійного живлення;
• отримані рівняння механічної, електромеханічної характеристик та характеристики електромагнітного моменту ВД при управлінні згідно з законом постійного значення кута  випередження відпирання вентилів інвертора;
• доведено, що у ВД існують деякі оптимальні значення частоти поля збудження, при яких для роботи на номінальній швидкості двигуна потрібний мінімальний запас по напрузі роторного трансформатора;
• отримані формули та графіки для визначення оптимальної частоти поля збудження, яка забезпечує мінімум сумарної установленої потужності перетворювальних агрегатів у роторі та статорі ВД.
Практична цінність. Одержані теоретичні результати дозволяють визначити параметри обладнання при реконструюванні діючого асинхронного електропривода. А саме, за побудованими графіками основних характеристик ВД для конкретних умов експлуатації можна вибрати раціональний режим керування, а на основі залежності усталених кутових швидкостей двигуна від частоти та напрямку обертання поля збудження – забезпечити необхідний діапазон регулювання.
Реалізація результатів роботи. Результати виконаних досліджень використані при розробці лабораторного стенду для експериментальної перевірки відповідних основних характеристик ВД, отриманих шляхом розрахунків та реальних. Встановлено, що в ВД зі збудженням змінним струмом відсутня необхідність у регулюванні напруги збудження. Що суттєво спрощує схему керування перетворювачем порівняно з ВД при збудженні постійним струмом. Експериментально підтверджено, що реалізація пропонованої системи електропривода не вимагає заміни раніше встановленого двигуна.
Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались та обго-ворювались на конференції з міжнародною участю “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика” (м. Алушта, 1997р.); міжнародній науково-технічній конференції “Современные технологии экономичного и безопасного использования электроэнергии” (м. Дніпропетровськ, 1997 р.); 5-ій Українській конференції з автоматичного управління “Автоматика-98” (м. Київ, 1998 р.).
Публікації. Основний зміст роботи відображено в 5 статтях в науково-технічних виданнях.
Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів та висновку. Зміст роботи викладено на 118 сторінках машинописного тексту, ілюстровано 29 рисунками. Перелік використаної літератури вміщує 89 найменувань. Додатки наведені на 17 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, наведені основні положення роботи, сформульовані задачі досліджень, мета яких – створення регульованого електропривода на основі АМ, що найповніше забезпечує умови роботи турбомеханізмів.
Перший розділ присвячено аналізу джерел, на основі якого визначено задачі, що розв’язуються у роботі. Розглянуто особливості характеристик турбомеханізмів як навантажувальних машин електроприводів, наведені основні системи регульованих електроприводів великої потужності на основі АМ з фазним ротором в режимі подвійного живлення за каскадною схемою.
У другому розділі одержані рівняння основних характеристик ВД на основі АМ з фазним ротором зі збудженням змінним струмом.
Аналіз літературних джерел показав, що для більшості турбомеханізмів достатньо мати три-чотири робочих швидкості, що досягається економічними з точки зору споживання електроенергії засобами. Такі режими легко реалізуються електроприводом за схемою ВД на основі синхронної машини зі збудженням постійним струмом. Керування тиристорами інвертора виконується або сигналом давача положення, або за допомогою давача електрорушійних сил (ЕРС) ротора. Головним недоліком подібної схеми є відсутність машинної комутації вентилів інвертора при запуску та при роботі на малих частотах обертання. Цей недолік ліквідується в ВД зі збудженням трьохфазним змінним струмом (рис.1).
Якорем двигуна служить ротор АМ, в коло якого включений перетворювач з ланкою постійного струму (ПВ). Як індуктор використано статор АМ, який живиться від джерела трьохфазної напруги низької частоти (ДНЧ).
В наведеній схемі магнітне поле збудження обертається, завдяки чому в роторі наводиться ЕРС навіть при нульовій швидкості двигуна. Цим забезпечується машинна комутація залежного інвертора в усьому діапазоні частот обертання, в тому числі і при запуску. Важливою перевагою ВД зі збудженням змінним струмом є також відсутність необхідності у встановленні на валу АМ давача положення ротора. Аналітичні залежності, що визначають механічні характеристики ВД зі збудженням змінним струмом, можуть бути отримані, розглядаючи дану схему як машину подвійного живлення або асинхронно-вентильний каскад (АВК) з керованою роторною групою вентилів.
Оскільки поняття ковзання S у схемі ВД має той же сенс, що і в нормальній схемі вмикання АМ, то при обертанні ротора в напрямку протилежному до обертання поля статора (що завжди має місце при запуску), S=(1+)/1=2/1=f2/f1,
де – частота обертання ротора, 1=2f1/p, 2=2 f2/p – кругова частота обертання магнітного поля машини відносно статора і ротора; f1, f2=f1+p/(2) – частоти напруги статора і ротора; p – число пар полюсів АМ. З урахуванням цього завжди при такому режимі S1.
Дослідження характеристик ВД виконується на основі загальноприйнятих припущень про заміну реальних несинусоїдальних напруг, електрорушійних сил (ЕРС) і струмів їх першими гармоніками.
Випрямлена ЕРС на вході інвертора
, (1)
де Е20 – ЕРС холостого ходу ротора; Id – випрямлений струм; – комутаційний індуктивний опір; – кут випередження відкривання вентилів інвертора.
Частина електромагнітної потужності на стороні випрямленого струму P12=Ed Id, що дорівнює P12(S-1)/S, перетворюється в механічну роботу Pмех. Інша частина P12/S передається в статор, де вона рекуперується в мережу. Як наслідок, електромагнітний момент ВД
, (2)
де – номінальна фазна ЕРС ротора АМ; Xкн=Xр – значення Xкн на частоті f1н=50 Гц; = f1н/f1.
Якщо магнітне поле ВД обертається по відношенню до ротора в протилежному напрямі, то має місце марне перекачування енергії через статор у мережу. Виходячи з цього, вибір вторичної напруги силового трансформатора слід виконувати за умови обертання магнітного поля узгоджено з ротором. Номінальна фазна ЕРС силового трансформатора Eтн визначається з виразу
, (3)
де – коефіцієнт трьохфазної мостової схеми; т – кут управління тиристорами трансформаторної групи; – еквівалентний опір, зведений до кола ротора; rдр, rтр – активний опір згладжувального дроселя та трансформатора відповідно.
Згідно (3) маємо
, (4)
де ; ; .
Електромагнітний момент у відносних одиницях
, (5)
де – ковзання ВД при ідеальному холостому ході.
Залежність М* від  не має екстремуму, тому перевантажувальна спроможність ВД визначається тільки комутаційною стійкістю інвертора. Рівняння комутації для даного типу ВД має вид , а відносний момент , де  – кут комутації; =- – кут запасу для відновлення запираючих властивостей тиристорів.
Стійка робота інвертора можлива лише при  > 0, тобто теоретично максимальне значення кута комутації =. Тому граничний момент визначається виразом
. (6)
Характеристики електроприводу за схемою ВД залежать від прийнятого алгоритму керування інвертором. Для ВД зі збудженням змінним струмом фізичний смисл мають два закони керування: =const і =const.
Співвідношення (5), (4) і (1) являють собою рівняння характеристик відповідно механічної, електромеханічної і електромагнітного моменту ВД при управлінні за законом =const. Зі зростанням кута  збільшується граничний момент ВД. Максимальний граничний момент, який приблизно дорівнює 0,83Мк, досягається при =750.
У третьому розділі досліджено вплив частоти струму збудження і напрямку обертання поля на потужність перетворювачів у статорі і роторі, встановлено раціональний режим роботи електроприводу.
Для даної системи приводу досить важливим є визначення оптимальної частоти збудження, яка забезпечує найменшу потужність перетворювачів у статорі і роторі. Дослідження показали, що зниження частоти f1 при обертанні поля статора в протилежному по відношенню до обертання ротора напрямі не тягне за собою зменшення потужності перетворювачів. Поле збудження, яке обертається, необхідне тільки при запуску ВД і роботі на малих швидкостях. Після того як швидкість двигуна досягне 15-20% номінальної, поле збудження може бути зупинено, і реверсовано, тобто воно може обертатись в той самий бік, що і ротор. При цьому частота магнітного поля ротора, а як наслідок, і індуктована в роторі ЕРС зменшується, що в свою чергу дозволить зменшити потрібну напругу випрямляча для одержання заданої швидкості.
Енергетична діаграма для випадку, коли напрям руху поля і ротора співпадають, зображена на рис.2. В рушійному режимі електромагнітна потужність Р12, що дорівнює сумі потужностей, які споживаються з мережі ротором (Р2) і статором (Р1) за вирахуванням витрат Р1 і Р2, перетворюється в механічну роботу Рмех. Таким чином корисна потужність на валу Рп= Рмех-Рмех, де Рмех – механічні витрати.
На рис.3 зображена енергетична діаграма для випадку, коли поле збудження обертається в напрямку протилежному обертанню ротора.
Через повітряний зазор передається не вся потужність Р2, а лише частина її за вирахуванням втрат Р2 в колі ротора і в залежності від співвідношення параметрів ВД і величини навантаження можливі два випадки: якщо Р12/S>Р1, то має місце рекуперація частини енергії в мережу, при Р12/S Amax+1. (16)
Вважаючи cos2(/2). (17)
Оскільки c11 і ki>1, нерівність (17) завжди виконується, і функція (10) має мінімум. Порівняння співвідношень (14) і (15) показує, що , тобто якщо поле статора і ротор обертаються в одному напрямку, оптимальна частота поля збудження більша ніж у випадку, коли поле статора і ротор обертаються в протилежні сторони.
Формула (10) дозволяє при заданій частоті збудження визначити мінімальну сумарну потужність перетворювачів.
Формування сигналу заданої частоти f1з перетворювача-збуджувача відбувається в функції заданої швидкості обертання двигуна. При запуску поле обертається в напрямку зворотньому до обертання ротора. Потім при визначеній швидкості відбувається зменшення частоти f1 з подальшим зростанням її до початкового значення f1з, але з напрямком обертання поля, який співпадає з напрямком обертання ротора.
На рис.5 зображено функціональну схему замкнутої системи електроприводу на основі ВД, у якій поблизу визначеної швидкості двигуна реалізовано режим реверсу напрямку обертання магнітного поля машини. Силова частина системи ідентична показаній на рис.1: в ротор АМ включено перетворювач частоти за схемою випрямляч В – залежний інвертор І, а в статор – тиристорний збуджувач ТЗ, який також являє собою перетворювач частоти, що працює в режимі джерела напруги U1 низької частоти f1. Управління випрямлячем здійснюється вихідним сигналом системи регулювання швидкості, яка являє собою стандартну систему підлеглого регулювання з регуляторами швидкості (РШ) і струму (РС). Управління інвертором виконується в функції ЕРС фаз двигуна. Виділення сигналів ЕРС здійснюється функціональним побудовником (БВЕ) відомим методом, виходячи з напруги і струму фаз. На рис.6 приведені механічні характеристики ВД для =600 і ряду значень кута управління т.
Формування сигналу f1з завдання частоти перетворювача-збуджувача відбувається в функції заданої частоти обертання електроприводу на виході блоку нелінійності (НЕ). Останній має характеристику типу “насичення”, рівень якої відповідає максимальному значенню f1, позначеному f10. На вхід НЕ подається різниця між сигналами заданої та граничної частот обертання (відповідно з і  гр). Сигнал гр формується на виході порогового елементу ПЕ, знак цього сигналу визначається знаком з, тобто напрямком обертання приводу. Величину  гр рекомендується приймати такою, що дорівнює
гр=н (1-1/)
(параметр  в даному випадку дорівнює  =f1н/f10).
При частотах обертання  з

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020