авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 ||

«7.2.2014 Антиплагиат ...»

-- [ Страница 6 ] --

Регулятор УУ имеет переменную структуру: принимает значение 0, когда произведение сигнала ошибки и ее производной (М) больше нуля;

принимает значение 0, когда произведение сигнала ошибки и ее производной отриц ательное и – на заключительном э тапе переходного проц есса.

На рис. 6.4 (кривая 2) показана картина переходного проц есса скорости v(n) в э лектроприводе, вызванного прилож ением момента сопротивления. На первом участке 0 t 1,8 с – регулятор скорости имеет коэ ффиц иент, на участке 1,8 сt 3 с структура регулятора переключается и передаточная функц ия принимает значение ;

на последнем участке при t3 с регулятор скорости имеет коэ ффиц иент передачи Несмотря.

на колебательный характер переходной функц ии, система остается устойчивой. В системах с переменной структурой полностью компенсировать влияние звена чистого запаздывания не удается, но мож но расширить диапазон равномерного пропускания частот. Как показали результаты измерений, за счет перехода к регуляторам с переменной структурой удается поднять быстродействие системы примерно в 1,5 – 2 раза.

Оптимизац ия второго участка движ ения На втором участке движ ения (см. рис. 6.2, а) переходный проц есс в контуре регулирования тока (момента) заканчивается и позиц ионный э лектропривод выходит в реж им установившегося динамического разгона. Увеличить быстродействие э того участка мож но лишь за счет комплексного подхода к проектированию э лектропривода (см. гл. 4).

Максимальное ускорение э лектропривода на э том участке оц енивается механической постоянной времени э лектродвигателя – временем, за которое вал двигателя изменяет свою скорость от 0 до скорости идеального холостого хода, при условии, что к валу прилож ен э лектромагнитный момент, равный номинальному[147]. Эта величина зависит от добротности э лектродвигателя M/J.

Увеличить добротность э лектромеханического преобразователя мож но только за счет удлинения двигателя и уменьшения его диаметра при сохранении величины э лектромагнитного момента.

При увеличении длины традиц ионных э лектрических машин увеличивается прогиб вала и ухудшаются условия охлаж дения двигателя [109]. Указанные проблемы преодолеваются в СРМНВ, так как ротор двигателя выполняется безобмоточным и имеет ж есткую в радиальном направлении конструкц ию. Условия охлаж дения в двигателе более благоприятные, так как ротор э лектрической машины вращ ается синхронно с полем, не содерж ит обмоток, поэ тому в идеальных условиях не нагревается. В действительности за счет потерь, вызванных коммутац ией фазных токов статора, ротор мож ет нагреваться и иногда значительно [73, 198]. Снизить нагрев ротора, вызванный коммутац ионными потерями, мож но несколькими путями, например, за счет изменения конфигурац ии паза (см. Патент РФ [97] или рифлением поверхности ротора, см. Патент РФ [100]).

На рис. 6.5 а, б показаны поверхности М/J в функц ии номинального момента двигателя и длины ротора. В обоих случаях увеличение длины двигателя благоприятно сказывается на увеличении показателя добротности. Но в асинхронном двигателе относительный прогиб вала (не более10% от воздушного зазора [8, 23,42, 109] ограничивает предельные значения длины вала, а следовательно, и предельное ускорение.

Оптимизац ия третьего участка движ ения На третьем участке (см. рис. 6.2) регулятор полож ения остается насыщ енным, регулятор скорости выходит из насыщ ения и ограничивает предельное значение скорости. На э том э тапе выбор оптимального значения максимальной скорости мож ет выполняться по-разному. Ещ е в 30-х годах прошлого столетия было предлож ено выбирать максимальную скорость двигателя по условию [138], при котором минимизируется кинетическая э нергия э лектромеханической системы.

Но указанный критерий не единственный. Так, проф. Усыниным Ю.С. был предлож ен точностной критерий [144] поиска оптимального значения передаточного числа редуктора по условию минимума резонансного максимума в двухмассовой системе за счет усиления или ослабления э лектромеханической связи в зависимости от соотношения обобщ енных параметров э лектротехнического комплекса, которые оц енивают частотами среза 1, 2, 3 (см. рис. 1.13). С учетом обозначений рис. 1.13 примем:

jгр=JРОkРМкРСкДС1Туз;

ТРМ=JРОkРМкРСкДСj2;

Туз=JРОС1=1 2;

ТКРС=JдвkРМкРСкДС=1 1;

3= 22 1, если 21ТРС 23 12, если 21ТРС;

1=1ТРМ.

В связи со сказанным предлагается в зависимости от соотношения обобщ енных параметров системы выбирать передаточное число редуктора по алгоритму (см. рис. 6.6). В случае, если текущ ее значение передаточного числа редуктора меньше граничного значения, т.е. частота среза контура 1 наибольшая, а контура 3 – наименьшая, то передаточное число редуктора вычисляется по критерию минимума кинетической э нергии. В противном случае для выбора рац ионального соотношения параметров силового оборудования удобнее воспользоваться методикой, разработанной проф. Усыниным Ю.С.

Рис. 6.6 Оптимизац ия третьего участка движ ения – выбор максимальной скорости Рис. 6.6 Оптимизац ия третьего участка движ ения – выбор максимальной скорости http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 69/

7.2.2014 Антиплагиат

Рис. 6.6 Оптимизац ия третьего участка движ ения – выбор максимальной скорости Оптимизац ия четвертого участка При работе позиц ионного э лектропривода на четвертом участке сигнал рассогласования меж ду заданием на полож ение рабочего органа и фактическим его значением изменяет знак, регулятор скорости насыщ ается, а на вход регулятора тока подается максимальный сигнал на тормож ение.

Реализац ия оптимальных тормозных реж имов связана не только с выбором параметров и структуры узлов управления системой тормож ения. Одновременно приходится решать задачу выбора рац иональной схемы силовых ц епей.

На сегодняшний день э лектротехнической промышленностью предлагаются следующ ие технические решения в рамках э лектроприводов переменного тока: тормож ение с возвратом э нергии в сеть через Smartмодуль [197] или активный выпрямитель [41, 44,209];

без возврата э нергии в сеть на тормозной резистор. При выборе наилучшего решения наиболее актуальным становится критерий быстродействия, а не э кономичности.

Коротко дадим аннотац ию каж дой из схем и результатов исследований на математических и физических моделях. В качестве исследуемых были приняты две схемы: с активным выпрямителем (рис.

6.7, а) и с тормозным резистором (рис. 6.7, в).

Моделирование тормозных реж имов выполнялось в программе Matlab и на реальных физических образц ах э лектроприводов на базе UnidriveSP и Sinamics [197].

В э лектроприводах с активным выпрямителем возврат э нергии в сеть обеспечивается при поддерж ании постоянства напряж ения в звене постоянного тока за счет работы транзисторного узла в реж име либо повышающ его преобразователя переменного напряж ения в постоянное, либо в реж име инвертора. Работа преобразователячастоты, подключенного к сети, напоминает работу того ж е преобразователя, но подключенного к асинхронному двигателю, вращ ающ емуся с постоянной скоростью, поэ тому структура управления регулятором напряж ения оказывается аналогичной системе векторного управления асинхронным двигателем. Эта схема позволяет регулировать емкостной ток, отдаваемый в сеть, счет изменения уставки задания на ток I ( см.

за рис. 6.7, а). Известно, что ресурс емкостей звена постоянного тока зависит, в том числе, и от уровня пульсац ий выпрямленного напряж ения и мож ет изменяться на треть в сторону уменьшения срока э ксплуатац ии преобразователя частоты [55]. На рис. 6.7, б даны зависимости пульсац ий выпрямленного напряж ения от величины мощ ности тормож ения (оц енивалась косвенно по току звена постоянного тока) и емкостной составляющ ей тока питающ ей сети. Ориентируясь на э ти зависимости, мож но указать предельную область переменных (тока намагничивания и тормозного тока).

В э лектроприводах, в которых тормож ение осущ ествляется по известной схеме (рис. 6.7, в), заданное значение напряж ения в звене постоянного тока поддерж ивается подключением резистора r к шине “–” “сливным” транзистором по сигналам регулятора URV [45]. При релейном управлении в схеме со “сливным” транзистором качество поддерж ания напряж ения в звене постоянного тока сниж ается. На рис. 6.7, г, (поверхность 2) показана зависимость пульсац ий напряж ения Ud от величины сопротивления резистора r и мощ ности, которая идет с вала двигателя (на рис. 6.7, г она оц енивается по Id звена постоянного тока). Из рис. 6.7, г следует, что уровень пульсац ийнапряж ения Ud мож но снизить, если увеличить номинал сопротивления r. С другой стороны, при увеличении сопротивления r сниж ается допустимая рассеиваемая мощ ность (см. рис. 6.7 г, поверхность 1).

Предлож енные результаты моделирования тормозных реж имов работы могут быть использованы на э тапе принятия решения в пользу конкретной схемы. Очевидно, что в схемах с предельным быстродействием, когда позиц ионный э лектропривод переходит из зоны двигательного реж има работы в генераторный, необходимо применять э лектрическую схему с активным выпрямителем, так как в схеме со “сливным” транзистором заданные динамические показатели не обеспечиваются, так как из-за инерц ионности канала регулирования напряж ения допустимое ступенчатое значение тока Id ограничено условиями кратковременного перенапряж ения в звене постоянного тока.

Указанную задачу выбора рац иональной схемы тормож ения мож но решать по другим критериям, например, по условиям минимума затрат.

Оптимизац ия пятого участка фазовой траектории При работе позиц ионного э лектропривода на пятом участке (см. рис. 6.2) регуляторы скорости и тока находятся в линейном реж име. Регулятор полож ения такж е выходит из зоны насыщ ения.

Выбороптимальных структуры и параметров последовательного корректирующ его устройства – задача непростая, так как, обеспечив устойчивость системы «в малом» с достаточным запасом, мож но получить неустойчивый реж им работы э лектропривода при больших сигналах рассогласования заданного и фактического значения регулируемых координат [147].

Задача поиска оптимальной структуры регулятора полож ения была успешно решена в ряде работ [134, 147] за счет выбора в качестве э того регулятора устройства с нелинейной характеристикой.

При выборе параметров регулятора полож ения необходимо учитывать, что в э лектроприводе с СРМНВ допускаются значительные перегрузки по моменту (см., например, рис. 3.9), а э то, в свою очередь, позволяет увеличить уставку в блоке ограничения регулятора скорости.

Итоги оптимизац ии На рис. 6.2 представлены кривые (1’, 2’, 3’) переходных проц ессов, полученные в э лектроприводе стана ХПТ 450 (ОАО “Челябинский трубопрокатный завод”) при выборе параметров силового э лектрооборудования и звеньев системы управления по предлож енным методикам. Модель механической части э лектропривода была заимствована из [87], а э лектропривд был представлен обобщ енной математической моделью (см. рис. 2.22).

На первом участке переходного проц есса в контуре регулирования момента быстродействие достигнуто за счет введения последовательного корректирующ его устройства с переменной структурой и перехода от тиристорных к транзисторным источникам питания. Наличие люфтов в механической передаче не позволило поднять быстродействие контура регулирования тока более, чем в два раза.

На втором участке за счет исполнения удлиненного двигателя удалось снизить момент инерц ии примерно в 2 раза, но общ ее время переходного проц есса уменьшилось примерно на (25–30)%. Во первых, э то связано э то с тем, что доля момента инерц ии двигателя составила (30–40)% от суммарного момента инерц ии комплекса “Электропривод – рабочий орган”, а во-вторых, участок разгона удлинился за счет увеличения рабочей скорости э лектропривода.

На третьем участке требуемое значение передаточного числа редуктора рассчитывалось по условию минимума кинетической э нергии, при э том потребовалась незначительная его коррекц ия.

Скорость ж е двигателя возросла примерно в 1,5 раза. В ранее применяемой схеме поднять скорость двигателя не позволял тиристорный преобразователь частоты, в котором предельная частота питания зависела от несущ ей частоты и была равна 20 Гц. С учетом выполненной коррекц ии оптимальный график скорости приближ ался к треугольной форме.

Необходимая интенсивность тормож ения была реализована на базе активного выпрямителя, при э том каких-либо дополнительных технологических преимущ еств по сравнению с тиристорным преобразователем частоты выявить не удалось. Но за счет того, что в контуре регулирования скорости быстродействие возросло в 1,5 раза, продолж ительность 3 и 5 участков (см. рис. 6.2, б) сократились на 30 %, а 4 участок исчез, так как график скорости изменился от трапец еидальной формы к треугольной.

На последнем участке было увеличено быстродействие контура регулирования полож ения примерно на 60%. Решена э та задача была применением регулятора полож ения нелинейного типа и за счет увеличения уставки задания блока ограничения. При э том учитывалось, что в э лектроприводе реализуются предельные значения момента (до 4 МН).

http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 70/ 7.2.2014 Антиплагиат Проведенные технические мероприятия позволили снизить общ ее время позиц ионирования рабочего органа (участки 1-7, см. рис. 6.2, б) примерно в два раза. Необходимо обратить внимание, что на графике рис. 6.2, а нет однозначной связи меж ду кривыми лектромагнитного момента и скорости, как того диктует основное уравнение движ ения э лектропривода [56, 57]. Объясняется э то э неровным графиком нагрузки, который в начальный момент при срыве трубы с оправки требует большого значения момента сопротивления. Расчет зависимости момента срыва трубы с оправки представлен в [87].

6.3. Тяговые э лектроприводы В последнее время приводы тяговых механизмов получили широкое развитие благодаря совершенствованию э лементной базы современного э лектропривода [59, 83, 139,151, 158, 179, 194, 200, 214].

Задача оптимизац ии э лектропривода тяговых механизмов по массогабаритным показателям в общ ем случае мож ет быть сформулирована в виде критерия:

q=minPOVМН, nmax, Mmax, (6.1) где POV – мощ ность потерь в э лектроприводе, МН – номинальный момент двигателя;

пмах – максимальная скорость двигателя;

Ммах– максимальный момент э лектропривода.

Основным ограничением в задаче необходимо рассматривать мощ ность теплового двигателя:

РТД=Сonst.

Рис. 6.8 Фазовая траектория движ ения (а), вероятностная функц ия нагрузки (б), статические характеристики (в) и суммарные потери (г) в тяговом э лектроприводе Рис. 6.8 Фазовая траектория движ ения (а), вероятностная функц ия нагрузки (б), статические характеристики (в) и суммарные потери (г) в тяговом э лектроприводе 6.3.1. Участки оптимальных траекторий движ ения тягового э лектропривода В э лектроприводах тяговых механизмов многомерную оптимизац ию э лектропривода по критерию минимума габаритной мощ ности э лектропривода мож но выполнять по методике пп. 6.1.2, если механическую характеристику э лектропривода разделить на три участка (см. рис. 6.8, а): 1 – участок поддерж ания мощ ности (кривая A, N, B);

2 – участок (горизонтальный отрезок, проходящ ий через точку А) максимальной скорости;

3 – участок (вертикальный отрезок, проходящ ий через точку B) максимального (предельно допустимого) момента э лектропривода. Благодаря такому разбиению удается понизить размерность общ ей задачи оптимизац ии.

В частном случае, точки А и B (рис. 6.8, а) могут быть ограничены по технологическим условиям. Так в тяговом э лектроприводе трактора максимальный момент ограничивается условиями пробуксовки. Как показывает практика проектирования э лектроп риводов, э ти предельные значения не всегда достигаются с первой итерац ии. В тех случаях, когда проектировщ ику приходится точек А и B, приходится пересматривать пересматривать полож ения параметры силового оборудования ( мощ ность э лектропривода, передаточное число редуктора), а следовательно, пересматривать э тап оптимизац ии траектории ANB. Наиболее часто э то случается тогда, когда средствами э лектропривода слож но реализовать большие перегрузки или расширенный диапазон регулирования скорости, например, в пп. 3.4 показано, что в асинхронных э лектроприводах предельный диапазон регулирования по скорости вверх от номинала не превосходит 4пН.

Основные усилия при оптимизац ии тягового э лектропривода расходуются на первый э тап, при условии, что на 2 и 3 э тапах удается средствами э лектропривода обеспечить полож ения точек А и B так, чтобы они оказались за пределами требуемых значений со стороны технологического механизма.

6.3.2. Реализац ия предельных характеристик в тяговом э лектроприводе При нахож дении оптимальной траектории движ ения тягового э лектропривода мож но выделить следующ ие подзадачи (э тапы):

– поиск точки номинального момента э лектропривода;

– синтез параметров и структуры системы управления с позиц ии обеспечения устойчивых реж имов работы э лектропривода при движ ении по траектории ANB;

– выбор законов управления э лектроприводом, расширяющ их диапазон регулирования по скорости;

– выбор законов управления э лектроприводом, обеспечивающ их необходимые перегрузки по моменту.

Оптимизац ия первого участка в установившихся реж имах работы э лектропривода На первом участке предполагается, что э лектропривод работает на граничной характеристике ANB (рис. 6.8, а). Кривая ANB является предельной и ограничивается мощ ностью дизель генераторной установки. Диапазон регулирования момента соста вляет до 10:1 и обусловлено э то отказом от слож ной механической передачи, в которой переключение скоростей выполняется ступенчато. Аналогичную задачу решали А.Е. Тикоц кий и А.С. Филатов для э лектроприводов моталок станов холодной прокатки, где предлагалось отказаться от однозонного регулирования скорости и обеспечивалось постоянство мощ ности в э лектроприводе постоянного тока в первой зоне изменением прилож енных якорных напряж ения и тока так, чтобы с увеличением нагрузки ток увеличивался, а напряж ение сниж алось по закону [38]:

Uя=PelIя, где Pel – э лектромагнитная мощ ность э лектропривода, которая при регулировании поддерж ивается постоянной;

Uя – напряж ение на якоре;

Iя – якорный ток двигателя. Во второй зоне регулирование выполнялось поддерж анием постоянства тока якоря Iя и напряж ения Uя, а достигалось э то системой регулирования поля возбуж дения, так чтобы:

Pel=UяIя=Const.

Предлагаемое решение было реализовано на примере э лектропривода постоянного тока для статически установившихся реж имов работы. При переходе к э лектроприводу переменного тока, в котором мож но обеспечить сущ ественные перегрузки по моменту и большую предельную скорость вращ ения, возрастает количество возмож ных траекторий движ ения э лектропривода. Учет ж е работы э лектропривода в переходных реж имах, особенно в зоне ограничений требует выбора наилучших решений по структурам и параметрам корректирующ их связей.

Когда в тяговом э лектроприводе требуется обеспечить очень большой диапазон изменения момента в реж име поддерж ания постоянства мощ ности P= Сonst, ц елесообразно разделить на два поддиапазона: при работе э лектропривода на первом участке (отрезок AN на предельной механической характеристике э лектропривода – см. рис. 6. а) в реж име поддерж ания постоянства напряж ения Ua= Сonst и тока якоря (статора) Ia=Сonst изменяют магнитный поток двигателя пропорц ионально моменту;

на втором участке (отрезок NB) сниж ают Ua, но увеличивают Ia, чтобы достигалось постоянство мощ ности Pel=UaIa=Сonst.

http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 71/

7.2.2014 Антиплагиат

Кривая ANB (рис. 6.8, а) является функц ией передаточного числа редуктора. При изменении передаточного числа полож ение кривой ANB изменяется. Если в э лектроприводе постоянного тока передаточное число редуктора необходимо было выбирать из условия обеспечения максимальных момента и скорости э лектропривода, в системе с СРМНВ общ ая задача выбора наилучшей траектории движ ения на первом участке мож ет быть разделена с задачей обеспечения максимальных момента и скорости э лектропривода.

Оптимальное передаточное число редуктора мож ет находиться по алгоритму, разработанному в п.п. 6.2.2 для позиц ионного э лектропривода. Однако, в тяговых э лектроприводах доля статического момента мож ет оказаться сущ ественной. В э том случае, применение формулы Н. А. Тищ енко [138] мож ет не дать э ффекта. Тогда из условий минимизац ии массогабаритных показателей э лектромеханического преобразователя оказывается выгоднее выбрать редуктор с максимально возмож ным передаточным числом, правда, при э том необходимо обязательное согласование номинальной скорости двигателя и рабочего органа.

Опишем переход к выбору номинальной точки N. Если бы э лектропривод работал только в первой зоне (при полном потоке), полож ение точки N определялось бы нагрузочной диаграммой по то условию ограничения перегрева. Когда момент и ток двигателя имеют линейную зависимость, условие ограничения по нагреву мож ет быть записано в виде неравенства [57]:

МН1Tц tц М2(t)dt, где МН – номинальный момент двигателя;

М(t) – зависимость момента сопротивления рабочего органа от времени;

Тц – общ ее время ц икла. Нагрузочная диаграмма для тяговых э лектроприводов обычно задается плотностью вероятности Pi, которая показана на рис. 6.8, б и является условной. Для каж дого конкретного случая э та зависимость будет своя. По кривой NB (рис. 6.8, а) и графику вероятности мож но вычислить среднеквадратичное значение момента, которое используется для выбора э лектродвигателя по мощ ности.

Но регулировать скорость в э лектроприводе только изменением напряж ения невыгодно, так как при э том приходится завышать мощ ность полупроводникового преобразователя. Поэ тому в зоне, где момент сопротивления ниж е МN выгоднее переходить в реж им ослабления потока возбуж дения, при э том установленную мощ ность э лектропривода такж е приходится завышать, но в меньшей степени. Так, в [139] показано, что переход к двухзонному регулированию скоростипозволяет снизить суммарную мощ ность э лектрооборудования примерно на 40%. Достигается э то не только за счет перехода к более слож ному закону регулирования, но и за счет вида графика плотности распределения тяговых усилий в э лектроприводе, при котором значительные перегрузки по моменту имеют относительно небольшую продолж ительность по времени.

Учитывая характер графика плотности распределения тягового усилия (см. рис. 6.8, б), расчет мощ ности э лектропривода долж ен выполняться только по второй зоне регулирования, в которой поток возбуж дения ослабляется. Запас мощ ности э лектродвигателя, полученный расчетным путем по условиям работы э лектропривода во второй зоне, полностью “расходуется” при работе в первой зоне. С учетом сказанного, актуальной оказывается задача выбора точки N по критерию минимума габаритной мощ ности э лектропривода. Этот критерий мож ет быть переформулирован в условие минимума э лектрических потерь. В э том случае мож ет быть предлож ен следующ ий алгоритм поиска точки переключения структуры управления э лектроприводом с первой зоны на вторую: для расчета выбирается интервал, на котором выполняется расчет э лектрических потерь в якорной обмотке (Ia2r). рис. 6.8, в показаны зависимости ЭДС якорной обмотки ( ЕЬ) и На тока (Ia), потока (Ф) в функц ии момента сопротивления, поясняющ ие проц едуру расчета. Указанная задача решается методами одномерного поиска, например, золотого сечения [67]. Как показывают расчеты, предлагаемая проц едура оптимизац ии позволяет улучшить массогабаритные показатели э лектропривода, примерно на 20 %.

Оптимизац ия первого участка в переходных реж имах работы э лектропривода Этот раздел был выполнен совместно с коллективом авторов [72].

Ранее выбор э лементов силового оборудования из условий обеспечения оптимальной траектории движ ения выполнялся для безынерц ионной системы, в которой контур регулирования скорости имеет частоту среза, располож енную в бесконечности. В реальных системах быстродействие контура скорости оц енивается частотой среза (20–25) рад/с – для общ епромышленного э лектропривода, и до 100 рад/с – для высокоточных следящ их систем [134, 144]. При работе э лектропривода в зоне ограничений, например, вблизи т. B, возмож ны автоколебательные реж имы работы, обусловленные большими сигналами рассогласования меж ду заданным и фактическим значениями регулируемых координат. Т.е. рабочая точка в переходных реж имах работы мож ет выходить за допустимую траекторию ANB. Поэ тому задача выбора структуры и параметров корректирующ их устройств является актуальной.

Структурная схема модели э лектропривода приведена на рис. 6.9. Электропривод выполнен как многоконтурная система регулирования, которая содерж ит контуры регулирования фазных токов статора, момента двигателя и скорости.

Рис. 6.9. Структурная схема управления тяговым э лектроприводом Рис. 6.9. Структурная схема управления тяговым э лектроприводом Выбор базовых величин э лектрических переменных (напряж ений, токов) не имеет принц ипиального значения, если он не нарушает баланса мгновенных мощ ностей в различных расчетных точках э лектропривода. Переход к относительным единиц ам, выполненный в соответствии с правилами, излож енными в [148], позволил резко сократить объем вычислений, оставив для анализа только величины постоянных времени звеньев, коэ ффиц иенты усиления контуров регулирования и их частоты среза.

На вход внешнего контура регулирования скорости SCL подают сигнал задания скорости nz, который соответствует (а в относительных единиц ах равен) линейной скорости V0 движ ения автомобиля: nz=V0.

Внешний сигнал nsl, соответствующ ий неизбеж но сущ ествующ ей величине скольж ения меж ду окруж ной поверхностью колеса и грунтом, задавали в пределах (2–4)% от базового значения при движ ении автомобиля по шоссе и до 15 и даж е 20% при движ ении по бездорож ью ( подробно, см. в [72]).

Регулятор скорости RS предназначен для настройки контура регулирования скорости SCL, а его выходной сигнал URS, как в любой схеме подчиненного регулирования, является сигналом задания для последующ его внутреннего контура регулирования момента M или мощ ности P. Статическая характеристика RS выполнена с зоной ограничения, соответствующ ей предельным значениям момента Ммах или мощ ности Рмах.

Контур регулирования момента MCL является подчиненным по отношению к SLC и настраивается регулятором момента RM, на входе которого алгебраически складываются сигнал URS=Mz и сигнал отриц ательной обратной связи по моменту M или мощ ности P. В первом случае сигнал обратной связи по моменту подавали на вход RМ непосредственно, а во втором – через блок произведения ВР3 или ВР4. Выходной сигнал каж дого из э тих блоков пропорц ионален мощ ности э лектропривода: э лектрической Pel или механической Pмеch.

Благодаря принятому варианту подчиненного регулирования SCL и MCL схемой обеспечивается тяговая механическая характеристика э лектропривода (см. рис. 6.8, а). При э том предельная границ а допустимых состояний э лектропривода составлена из отдельных отрезков, учитывающ их ограничения по скорости движ ения транспортногосредства, по максимальной мощ ности, отбираемой тяговым э лектроприводом от мощ ности ( дизеля, турбины) теплового двигателя, по максимальному допустимому моменту (и току) тягового э лектродвигателя. Точка N на http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 72/ 7.2.2014 Антиплагиат отбираемой тяговым э лектроприводом от мощ ности ( дизеля, турбины) теплового двигателя, по максимальному допустимому моменту (и току) тягового э лектродвигателя. Точка N на характеристике соответствует номинальному реж иму (скорости и току) тягового э лектродвигателя.

Контуры регулирования фазных токов статора PCCL (их шесть или f по числу фаз статора) представлены на модели двумя параллельными каналами регулирования: тока возбуж дения iv и тока якоря Ia. Каж дый PCCL в прямом канале регулирования содерж ит регулятор фазного тока (он выполняет функц ию или регулятора тока возбуж дения FCR, или тока якоря ACR), полупроводниковый преобразователь C и ц епь обмотки статора FW или АС, охваченные отриц ательной обратной связью по току. Витки фазных обмоток статора, располож енные над меж полюсным промеж утком ротора, в рамках данной работы названы обмоткой возбуж дения FW, они создают магнитный поток возбуж дения двигателя, направленный по продольной магнитной оси ротора, а витки, располож енные над полюсом и обозначенные АС (аналогично якорной ц епи двигателя постоянного тока), создают вращ ающ ий момент. Возмож ность и условия такого разделения функц ий статорных обмоток подробно рассмотрены в п.п 5.2.3.

Момент M двигателя на выходе MCL получается как результат перемнож ения блоком произведения ВР1 магнитного потока V двигателя на его ток якоря Ia. В предлагаемом варианте э лектропривода ток возбуж дения iv двигателя определяется как сумма к токов фазных обмоток, витки которых в данный момент времени располож ены над меж полюсным промеж утком:

iv=i=1kii.

Аналогично ток якоря Ia определен как сумма (м-к) токов фазных обмоток, витки которых располож ены над полюсом:

Ia=J=1м-kij.

Здесь м – число фаз обмотки статора.

Нелинейность меж ду переменными V и iv учитывалась статической характеристикой звена МС (магнитная ц епь). Эта характеристика рассчитывалась по обобщ енной модели э лектропривода (см.

рис. 2.22). Звено МD выявляет модуль сигнала на выходе регулятора RМ. Оно, исключая смену знака тока iv, обеспечивает реверс момента M двигателя при смене знака сигнала на выходе RМ.

В SLC звеном D учтена механическая инерц ия вращ ающ ихся масс э лектропривода. Скорость VК на выходе SLC соответствует линейной скорости свободных (недеформируемых) колес тягового механизма.

Электрическая мощ ность принималась равной Pel=Ua Ia, а механическая – Pmech= M VК.

Исходные параметры звеньев, их численные значения указаны в табл. 6.2.

Таблиц а 6. Передаточные функц ии и параметры звеньев э лектропривода № Звено (см. рис. 6.9) Передаточная функц ия Численное значение, размерность C 1(1+T1p)(1+T1p) T1 = 0,001с T2 = 0,004с FW 11+TFWp TFW = 0,24с АС 11+ТАСр ТАС = 0,17с D 1TDp TD = 2с ЕВ 1ТЕВр ТЕВ = 0,1с ES SN от 0,03 до 0, http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 73/ 7.2.2014 Антиплагиат от 0,03 до 0, CFCR – v = 40 рад/с CACR – a = 50 рад/с MCL – М = 40 рад/с CLPel – el = 5 рад/с CLPmech – mech = 5 рад/с SCL – s = 5 рад/с В расчетном примере рассмотрен один из возмож ных вариантов кинематической схемы ведущ их колес тягового механизма, когда пара колес каж дой из осей связана меж ду собой через механический дифференц иал и приводится от тягового э лектропривода через редуктор с неизменным передаточным числом или непосредственно. В э том случае пару колес одной ведущ ей оси мож но заменить одним э квивалентным колесом, а его взаимодействие с грунтом представить на структурной схеме э лектропривода (рис. 6.9) интегрирующ им упругим звеном ЕВ с постоянной времени ТЕВ, охваченным местной отриц ательной обратной связью через скольж ение ES, которое учитывает наличие пробуксовки в двигательном реж име и юза – в тормозном. В относительных единиц ах э та часть структурной схемы составлена на основании уравнения, аналогичного предлож енному в своё время Д.П. Морозовым [74]:

F=1TEBp(VК-V0-nsl).

Здесь V0 – линейная скорость рамы приц епа;

VК – угловая скорость движ ения э лектропривода, приведенная к окруж ной скорости свободного (недеформированного) колеса;

nsl – линейная скорость скольж ения;

F – сила тяги приц епа;

ТЕВ – постоянная времени интегрирующ его звена ЕВ, в относительных единиц ах условно равная времени, за которое упругое колесо, равномерно закручиваясь с линейной окруж ной скоростью V0, увеличило бы свое окруж ное противодействующ ее усилие закрутке от нуля до силы тяги, соответствующ ей номинальному (т.е. принятому за базовое значение) моменту э лектропривода;

p=ddt – операторный символ дифференц ирования.

Строго говоря, зависимость скорости скольж ения от силы сц епления колеса с грунтом Vsl =f (F) носит нелинейный и нестабильный характер ( см. подробно в [72]). Сначала по мере роста усилия сц епления увеличивается и скорость скольж ения. Это – зона упругого, или э ксплуатац ионного скольж ения (зона ОА на кривой 1, рис. 6.10), которая неизбеж но наблюдается у всех транспортных машин (э лектровозов, тракторов, автомобилей), работающ их в тяговом реж име. В точке А происходит нарушение механического контакта меж ду колесом и грунтом, сила сц епления падает, а скорость скольж ения растет. Это – реж им буксования, который э лектропривод не долж ен допускать.

При моделировании скорость скольж ения в точке А принималась в пределах до 3…4% от базовой скорости V0 при движ ении приц епа по шоссе и до 10…15% – при движ ении по бездорож ью.

Рис. 6.10 Зависимость силы сц епления F от скорости скольж ения Vsl Рис. 6.10 Зависимость силы сц епления F от скорости скольж ения Vsl На первом э тапе моделирования выполнялась настройка контуров регулирования с использованием типовых методов синтеза регуляторов многоконтурной линейной системы регулирования, выполненной по подчиненному принц ипу [135, 147, 148]. Внутренние контуры регулирования: контуры регулирования фазных токов CACR и CFCR, контуры регулирования момента MCL и мощ ности CLPel и CLPmech, – настраивались PI-регуляторами, а внешний SCL – пропорц иональным регулятором скорости. Качество настройки каж дого контура оц енивалось по виду переходной функц ии.

При э том в контурах CACR, CFCR и MCL проц ессы были монотонными, а в SCL – допускалось незначительное (до 15%) перерегулирование. Определялись такж е частотные характеристики контуров регулирования, соответствующ ие их разомкнутому и замкнутому состоянию. Достигнутые динамические показатели контуров, оц ениваемые их частотами среза, приведены в табл. 6.2.

Особо следует остановиться на некоторых особенностях настройки контура регулирования мощ ности. Здесь канал обратной связи мож но выполнить как по величине механической мощ ности Pmech= M VК, так – и по э лектрической Pel=Ua Ia. Линеаризуя выраж ение для Pmech и рассматривая проц ессы «в малом», запишем для малых приращ ений Pmech= M VКM0 VК+VК0 M, где M0 и VК0 – текущ ие значения M и VК в точке линеаризац ии. Другими словами, канал нелинейной обратной связи по Pmech при анализе проц ессов «в малом» мож но заменить двумя линейными обратными связями по VК и M. Особенность э тих связей заключается в том, что диапазон изменения коэ ффиц иентов M0 и VК0 в современных тяговых э лектроприводах очень широк (до 1:10 и более), что вызывает трудности при настройке э лектропривода с обратной связью по Pmech. Сказанное подтверж дают переходные функц ии контура CLPmech, рассчитанные на модели для двух http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 74/ 7.2.2014 Антиплагиат более), что вызывает трудности при настройке э лектропривода с обратной связью по Pmech. Сказанное подтверж дают переходные функц ии контура CLPmech, рассчитанные на модели для двух текущ их значений момента, соответствующ их работе э лектропривода вблизи точек N и А на тяговой характеристике (рис. 6,8, а). Если контур CLPmech настроить на монотонный характер переходной функц ии (см. рис. 6.11, а) при работе э лектропривода вблизи точки N, то при работе его вблизи точки А переходная функц ия носит колебательный характер (рис. 6.11, б) и даж е мож ет соответствовать неустойчивому реж иму.

Моделирование такж е показало, что условия устойчивости CLPmech «в малом» в большей степени зависят от составляющ ей Pmech= M0 VК, чем от составляющ ей Pmech=VК0 M. Это следует объяснить тем обстоятельством, что контур регулирования, замкнутый по скорости VК, содерж ит в своем прямом канале большее число инерц ионностей, чем контур, замкнутый по моменту M.

Реализац ия обратной связи по Pel в контуре регулирования мощ ности названных недостатков не содерж ит (см. рис.6.11, в для тех ж е реж имов работы э лектропривода). Это следует объяснить, во первых, значительно меньшим диапазоном изменения величин-сомнож ителей Ua и Ia в выраж ении для Pel и, во-вторых, меньшим числом инерц ионностей в каналах выделения сигналов по Ua и Ia.

На рис.6.11, г показана переходная функц ия контура регулирования скорости. Перерегулирование не превышает 10%.

При моделировании проц есса разгона тягового э лектропривода рассматривалось условие формирования э того реж има (рис.6.11, д, е) при изменении скорости V0 строго по линейному закону.

Как следует из осц иллограмм разгона автопоезда от нуля до V0=10 м/с за время t=10 с, на участке установившегося реж има разгона наблюдается динамическое падение тягового усилия F со стороны приц епа примерно на 10% от номинального значения.

Реж им гололедиц ы на дороге моделироался резким (скачкообразным) сбросом тягового усилия F от номинального значения до нуля воздействием на звено ЕВ. При э том регулятор RS переходил из насыщ енного состояния, в котором он нормально находился при работе э лектропривода в реж име ограничения момента Рис. 6.11. Переходные проц ессы в тяговом э лектроприводе:

в функц ии контура регулирования Pmech при работе э лектропривода вблизи точки N (а) ;

то ж е вблизи точки А (б);

контура регулирования Pel при работе э лектропривода вблизи точки А (в);

контура регулирования скорости (г);

скорости (д) и приращ ения тягового усилия (е) при разгоне автопоезда по линейному закону;

скорости Vk (ж ) и тягового усилия F (з) при резком сниж ении сил сц епления меж ду колесом и грунтом Рис. 6.11. Переходные проц ессы в тяговом э лектроприводе:

в функц ии контура регулирования Pmech при работе э лектропривода вблизи точки N (а) ;

то ж е вблизи точки А (б);

контура регулирования Pel при работе э лектропривода вблизи точки А (в);

контура регулирования скорости (г);

скорости (д) и приращ ения тягового усилия (е) при разгоне автопоезда по линейному закону;

скорости Vk (ж ) и тягового усилия F (з) при резком сниж ении сил сц епления меж ду колесом и грунтом M или мощ ности P, на линейный (наклонный) участок своей статической характеристики. Тем самым ограничивалась величина превышения скорости э лектропривода над скоростью платформы.

Величину э того превышения мож но изменять, воздействуя на величину коэ ффиц иента усиления P-канала в регуляторе RS или величину поправки nsl на входе системы. Осц иллограммы на рис.6.11, ж, з указывают на величину превышения скорости в пределах (5–10)% от базового значения, что следует признать вполне удовлетворительным результатом.

Оптимизац ия второго участка На данном э тапе решается задача увеличения предельного значения скорости э лектропривода таким образом, чтобы э лектропривод был способен обеспечить максимальное значение скорости выше требуемой по условиям технологического проц есса. Ранее было показано (см. рис. 3.14), что при увеличении уставки скорости отношение э лектромагнитного момента к якорному току сниж ается, поэ тому в зоне ослабления поля нарушается закон регулирования с постоянством мощ ности, а предельная механическая характеристика э лектропривода (рис. 6.8, а) будет искаж аться.

В результате максимальное значение скорости э лектропривода (т. А на рис. 6.8 а) ограничивается, а э то требует изменения передаточного числа редуктора и пересмотра результатов расчетов первого участка. Решить поставленную задачу мож но в схеме зависимого ослабления поля (рис. 6.12 а), если ввести в систему регулирования соответствующ ую коррекц ию.

На рис. 6.12, а показаны основные узлы и э лементы системы с ослаблением поля. Основной контур регулирования – контур скорости – настраивается регулятором скорости РС и обеспечивает её поддерж ание в основной зоне. Второй контур регулирования напряж ения настраивается регуляторомРН и работает во второй зоне. БО2 устанавливает предельное значение якорного напряж ения. В качестве модели э лектропривода использовалось математическое описание рис. 2.22.

Если уставку ограничения напряж ения БО2 принять равной бесконечности, то зависимость М/I (рис. 6.12, б) будет проходить по кривой 1 [181].

При питании двигателя от идеального источника тока, имеющ его бесконечно большую полосу равномерного пропускания частот, э та зависимость долж на проходить параллельно оси скорости. Однако, на реальном графике отношение момента к току при увеличении скорости сниж ается. Чтобы объяснить э ту ситуац ию, обратимся к рис. 6.12, б, на котором представлены осц иллограммы фазного тока СРМНВ. Анализ кривой показывает, что при переключении знака тока проц есс происходит практически без задерж ки. На кривой 1 наблюдается сниж ение тока по мере роста скорости. Объясняется э то статической ошибкой, которая связана с ЭДС вращ ения: в момент переключения знака тока обмотка фазы двигателя находилась над меж полюсным промеж утком и ЭДС вращ ения была равна нулю, при движ ении ротора обмотка попадает на полюсный промеж уток, в ней наводится ЭДС. Введение интегрального канала в регуляторе тока не решает э ту проблему, так как зона работы И-канала леж ит намного левее частоты среза. Для решения поставленной задачи предлож ено ввести коррекц ию по ЭДС вращ ения. Корректирующ ий сигнал по ЭДС вращ ения подается на узел 1 (рис. 6.12, а). На рис. 6.12, б (кривая 2) показана зависимость отношения момента к току в функц ии скорости двигателя, при введенной коррекц ии по ЭДС вращ ения, на рис. 6.12, г – соответствующ ая осц иллограмма фазного тока (кривая 2).

Предлож енные технические мероприятия позволяют расширить диапазон регулирования скорости по э лектромагнитным условиям примерно в 2 раза. В рамках данной работы не решались вопросы ограничения скорости по условиям механической надеж ности. Эти задачи успешно решены в тяговых э лектроприводах рядом фирм-производителей автомобильного транспорта [187].

Оптимизац ия третьего участка – перегрузок по моменту Преодолевая препятствия или при работе тягового э лектропривода при движ ении по наклонной поверхности в э лектроприводе создаются сущ ественные перегрузки по моменту (см. рис. 6.8, а, т.

http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 75/

7.2.2014 Антиплагиат

Преодолевая препятствия или при работе тягового э лектропривода при движ ении по наклонной поверхности в э лектроприводе создаются сущ ественные перегрузки по моменту (см. рис. 6.8, а, т.

B). Если применять традиц ионные э лектроприводы (например, асинхронные), то указанные реж имы могут быть достигнуты только применением двигателя большей мощ ности, так как традиц ионные асинхронные э лектроприводы имеют максимальный момент, не превышающ ий 2,5МН, а если учитывать, что в э той зоне наблюдается сущ ественная нелинейность механической характеристики, приходится предельный момент ограничивать величиной 2МН. В э лектроприводах с СРМНВ ограничений по кратковременным перегрузочным моментам не сущ ествует, точнее зона перегрузок в э том типе э лектропривода расширена. Для того чтобы расширить линейную зонув кривой э лектромагнитного момента при перегрузках, необходимо, во-первых, пересматривать соотношение активных материалов в э лектроприводе, а во-вторых, применять спец иальные законы управления.


Известно, что в реактивных машинах увеличить линейность зависимости э лектромагнитного момента от тока мож но, если использовать свойство локального насыщ ения магнитной системы, что было доказано в диссертац ии М.Г. Бычкова [16]. Поэ тому на э тапах параметрической оптимизац ии э лектропривода (см. пп. 4.2, 4.3) необходимо закладывать большее количество “меди”.

Оптимальные соотношения э лектротехнической стали и меди выбираются для каж дого конкретного случая свои по методике, излож енной в п. 4.2 и 4.3.

Наиболее рац иональной схемой управления э лектроприводов в случае работы в зоне перегрузок мож ет быть рекомендована система регулирования с “последовательным” возбуж дением, когда сигналы задания на ток якоря и возбуж дения равны (см. пп. 5.4.3). В некоторых случаях, при достаточно большом размагничивающ ем влиянии поля реакц ии якоря, рац иональное управление достигается при соотношении в заданиях токая возбуж дения и якоря: IВ=(1,1–1,2)IЯ (см. рис. 3.10, кривая 3).

Общ ие итоги оптимизац ии тяговоголектропривода э Предлож енные технические решения для механизма тягового э лектропривода были реализованы при разработке э лектропривода трактора ДЭТ 400 совместно с ООО НТЦ “Приводная техника”, г.

Челябинск. В частности, за счет рац ионального выбора силовых э лементов э лектрооборудования удалось улучшить массогабаритные показатели до 50%. Указанные технические показатели были использованы при расчете технико-э кономического э ффекта. В прилож ении даны технические и э кономические показатели разработанных э лектроприводов.

6.4. Электроприводы с вентиляторным характером нагрузки Электроприводы с вентиляторным характером нагрузки (механизмы насосов, вентиляторов) имеют самый “простой” график нагрузки, а следовательно, и упрощ енную фазовую траекторию движ ения, которая, как правило, имеет параболическую заисимость. Проведен большой объём исследований и сформулированы законы, обеспечивающ ие э нергоэ ффективные реж имы работы за счет применения частотнорегулируемого э лектропривода [10, 88, 143, 173]. На первый взгляд, в э том направлении решены все задачи. Однако, за счет массовости э тих типов механизмов мож но предлож ить технические решения, которые позволят снизить не только э ксплуатац ионные, и затраты на реконструкц ию технологического объекта. Поэ тому задача проектирования но э лектропривода для механизмов с вентиляторным характером нагрузки мож ет рассматриваться как э кстремальная, которая обеспечивает заданную траекторию движ ения рабочей точки, но по критерию минимума затрат на э лектротехнический комплекс.

С учетом сказанного предлагается следующ ая последовательность решения поставленной задачи:

– уточнение оптимальной траектории движ ения э лектропривода с позиц ии обеспечения минимальных затрат на компоненты э лектропривода;

– формулировка требований к силовому э лектрооборудованию со стороны технологического механизма;

– синтез схем силовых ц епей по критерию минимума затрат на силовое э лектрооборудование.

6.4.1. Особенности требований технологического проц есса В э лектроприводах насосов и вентиляторов сущ ествует большое число способов регулирования давления как параметрических (при неизменной скорости вращ ения задвиж ками или поворотом лопаток вентиляторов), так и вариантов средствами э лектропривода (регулированием скорости вращ ения двигателя). В дальнейшем будем рассматривать регулирование только средствами э лектропривода.

Электроприводы насосов и вентиляторов имеют слож ную статиче скую характеристику в координатах “Напор – расход”. На рис. 6.13, в представлены зависимости напора H насоса от расхода Q.

Ниж е на рис. 6.13, г представлена э нергетическая характеристика системы, которая показывает зависимость потребляемой из питающ ей сети мощ ности от напора. В современных системах напор регулируют изменением частоты вращ ения двигателя насоса. При э том характеристика (рис. 6.13, в) в первом приближ ении переносится параллельно самой себе.

Рис. 6.13. Расчеты для механизмов с вентиляторным характером нагрузки: Электрическая схема замещ ения при учете только сниж ения напора (а), при учете сниж ения напора и равенстве потерь в ц епи (б);

статические характеристики: напорно-расходная (в);

э нергетическая (г);

внешняя для схемы замещ ения (д);

э нергетическая для схемы замещ ения (е) Рис. 6.13. Расчеты для механизмов с вентиляторным характером нагрузки: Электрическая схема замещ ения при учете только сниж ения напора (а), при учете сниж ения напора и равенстве потерь в ц епи (б);

статические характеристики: напорно-расходная (в);

э нергетическая (г);

внешняя для схемы замещ ения (д);

э нергетическая для схемы замещ ения (е) На рис. 6.13 не показаны характеристика гидравлической (воздушной) сети потребителя, которая приближ енно имеет форму параболы. Рабочая точка находится на пересечении напорной и расходной характеристик. Качественный анализ реж имов работы э лектропривода показывает, что оптимальная траектория движ ения имеет параболическую форму. Поэ тому при выборе силовых э лементов проектируемого э лектропривода и законов управления технологическим проц ессом средствами э лектропривода необходимо обеспечить достаточную перегрузочную способность э лектропривода в зоне номинальных нагрузок, но допускается при малых скоростях вращ ения заниж ать предельное значение момента двигателя.

Описанные способы регулирования давления в магистрали дают лишь качественные представления о проц ессах в системе. В реальных схемах очень многие параметры гидравлической (воздушной) системы изменяются: например, напор в системе на холостом ходу при нулевой подаче зависит от реальной подачи, коэ ффиц иента пропорц иональности меж ду расходом и падением давления в сети [174]. Эти факторы в меньшей степени влияют на выбор силового э лектрооборудования, но они определяют оптимальную траекторию движ ения. Поэ тому, с одной стороны, требуется математический аппарат, который с приемлемой точностью описывал бы проц ессы в системе. С другой стороны, э то описание долж но отличаться наглядностью и простотой использования при выборе рац иональных законов управления.

Этим требованиям удовлетворяют э лектрические схемы замещ ения, описывающ ие гидравлические (воздушные) системы любой конфигурац ии. Идея такого подхода была представлена в [145].

На рис. 6.13 а, дана упрощ енная э лектрическая схема замещ ения, которая не учитывает изменения напора гидравлической сети (на схеме замещ ения э то E). Сопротивлением Ri учитывается падение давления внутри насоса, а RН – гидравлическая сеть. Учет изменения величины E выполнен на рис. 6.13, б введением токовой обмотки ТО, которая вводит коррекц ию на необходимую величину значения E. На рис. 6.13, д, е показаны статические характеристики источника ЭДС – внешняя и э нергетическая. Для нормирования коэ ффиц иентов математического описания мож но использовать э нергетические характеристики (рис. 6.13 г, е). Более подробно с описанием соответствия меж ду переменными гидравлической (воздушной) сети и э лектрическими параметрами э тот материал представлен в монографии, выполненной в соавторстве [174].

6.4.2. Электрические схемы замещ ения технологического проц есса http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 76/ 7.2.2014 Антиплагиат 6.4.2. Электрические схемы замещ ения технологического проц есса В более слож ных случаях, когда приходится учитывать параллельную работу нескольких насосов, которые имеют такую схему включения для обеспечения надеж ности систем водоснабж ения используют технологическую схему (см. рис. 6.14, а). Здесь насосы НС1 и НС2 работают на одну гидравлическую сеть и вода через трубопровод 3 поступает в общ ий бассейн ОБ.

Рис. 6.14. Пример расчета: а) Обобщ енная гидравлическая схема;

б) э лектрическая схема замещ ения;

в) гистограмма распределения почасовой подачи воды Рис. 6.14. Пример расчета: а) Обобщ енная гидравлическая схема;


б) э лектрическая схема замещ ения;

в) гистограмма распределения почасовой подачи воды При такой конфигурац ии гидравлической сети подход с э лектрической схемой замещ ения является наиболее естественным (см. рис. 6.14, б). На э лектрической схеме замещ ения сопротивлениями R1, R2, R3 учитывались потери в магистральной сети, а потери на задвиж ках учитывались сопротивлениями RЗАДВ1 и RЗАДВ2. Источники E1 и E2 учитывают напоры, создаваемые первым и вторым насосом соответственно, а E3 – учитывает изменение напора, обусловленного разными высотами. Наосновании гистограммы распределения подачи воды (рис. 6.14, в) и э лектрических схем замещ ения мож но дать наиболее рац иональные траектории движ ения рабочих насосов и сформулировать требования к регулируемым э лектроприводам.

Путем расчета э лектрической схемы замещ ения (рис. 6.14) удалось установить, что наилучшая траектория движ ения э лектропривода обеспечивается только при регулировании скорости э лектропривода. Причем э кономия э лектроэ нергии в э том случае увеличивается примерно в 2 раза [174]. Такая э кономия обеспечивается не только при использовании полноц енных преобразователей частоты, но и в более простых схемах регулирования с очень небольшим диапазоном регулирования скорости, например, в асинхронно-вентильном каскаде [80, 152, 160].

Объясняется э то тем, что сущ ественную долю составляют потери в гидравлической (воздушной) системе, а не э лектрические потери в системе э лектрооборудования. С учетом сказанного, при проектировании э лектропривода выгоднее отказаться от слож ных схем управления в пользу систем с умеренными показателями регулирования. При э том за счет простоты исполнения э лементов э лектрооборудования мож но минимизировать стоимость реконструкц ии технологического объекта.

6.4.3.

Идея импульсно-векторного управления Как показано выше, рабочая точка движ ется по фазовой траектории движ ения, имеющ ей форму параболы. Математическая зависимость движ ения э той кривой, а такж е количественные требования технологического проц есса для каж дого типа механизма будут иметь свой вид и зависеть от конфигурац ии гидравлической (воздушной) сети и внешней потребителя (см. например, рис. 6.13). Следовательно, по предлож енному математическому описанию (см. пп. 6.4.2) мож но дать быструю количественную оц енку: в какой пропорц ии сниж ается момент сопротивления при запуске э лектропривода, а уж е с учетом э того выполнять синтез системы регулирования.

В э лектроприводах с синхронными машинами в качестве коммутирующ его устройства мож но использовать более дешевые технические решения на базе тиристорных коммутаторов, так как задача запирания тиристорных ключей осущ ествляется ЭДС вращ ения, которая в любой момент времени направлена навстречу полупроводниковому ключу. Электропривод в э том случае работает в импульсном реж име: в нуж ные моменты времени, когда обмотки долж ны создавать э лектромагнитный момент или поток, по ним пропускается ток;

в других случаях ток в обмотках отключается, для э того управляющ ие импульсы с э лектродов снимаются. Схемы с импульсно-векторным управлением асинхронными двигателями рассмотрены в [17, 61, 99, 195].

При выборе э лектрической схемы питания э лектропривода по критерию минимума затрат на э лектропривод на базе тиристорных коммутирующ их устройств необходимо учитывать, что схема по возмож ности долж на быть наиболее приближ ена к типовым. С другой стороны, в э той схеме долж ные обеспечиваться типовые реж имы работы э лектропривода.

Этим требованиям удовлетворяет э лектрическая схема с тиристорным коммутатором на базе обычного мостового одкнокомплектного преобразователя постоянного тока.

Рассмотрим работу схемы импульсно-векторного управления э лектроприводом с СРМНВ, на которую получен патент РФ [98].

На рис. 6.15, а представлен в разрезе пример шестифазной синхронной реактивной машины, в которой в пазах статора 1 А –А', B –B' и C –C' располож ены обмотки (2, 3, 4), оси которых, сдвинуты на 120 э лектрических градусов, а в пазах а –а', b –b', с –с' размещ ены такие ж е обмотки (5, 6, 7), которые такж е меж ду собой сдвинуты на 120 э лектрических градусов. Обмотки 2 и 5, и 6, 4 и соединены меж ду собой согласно и последовательно (рис. 6.15, б). Магнитные оси обмоток одноимённых фаз 2 и 5, располож енных в плоскостях А – А', а – а', 3 и 6, располож енных в плоскостях B – B', b – b', 4 и 7, располож енных в плоскостях С – С' и с – с' имеют пространственный угол меж ду собой в 90 э лектрических градусов. В э лектрической машине применен явнополюсный ротор 8, у которого полюсное деление равно 0,5. Обмотки, подключенные по схеме рис. 6.15, б запитываются от питающ ей сети A, B, C через тиристорный коммутатор 9. В каж дый момент времени работают только две из трех фаз за счет подачи управляющ их сигналов на соответствующ ий тиристор (10, 11,…, 15). Управление тиристорами выполняется в функц ии полож ения ротора 8 по сигналам с датчика полож ения 18. На рис. 6.15, в зависимости от полож ения ротора показаны диаграммы подачи управляющ их сигналов на соответствующ ие тиристоры с дискретой в 60 э лектрических градусов, а на рис. 6.15, г представлены пространственные диаграммы МДС для э тих углов, поясняющ ие принц ип формирования э лектромагнитного момента.

Управление э лектроприводом осущ ествляется в функц ии полож ения ротора. При э том структура обеспечивает поддерж ание пускового тока и настраивается на работу регулятором тока 17, на входе которого алгебраически суммируются сигналы задания на ток и обратной связи по току. Более подробно принц ип работы схемы дан в [98].

Предлож енная схема управления была рекомендована к внедрению на ОАО «Челябинский э лектролитный ц инковый завод» для компрессорных установок мощ ностью 600 кВт. Основной э кономический э ффект, который достигается при переходе к регулируемому э лектроприводу, представлен в Прилож ении.

6.5. Реализац ия результатов работы на промышленных предприятиях На рис. 6.16 представлен обзор основных технических и э кономических результатов внедрения диссертац ионного работы на предприятиях Юж но-Уральского региона. Расчет соответствующ их технических показателей был выполнен Рис.

6.16 Основные результаты внедрения диссертац ионной работы Рис. 6.16 Основные результаты внедрения диссертац ионной работы в соответствующ их разделах диссертац ионной работы (см. п. 6.2, 6.3, 6.4), а э кономический э ффект представлен в актах о внедрении (см. Прилож ение).

Выводы по главе 1. Показано, что в э лектроприводах реальных производственных механизмов, работающ их в э кстремальных условиях э ксплуатац ии, оптимальная траектория движ ения сшивается из отдельных отрезков, которые складываются из нескольких фазовых траекторий с различным набором ц елевых функц ий.

Примером удачного применения э лектропривода с СРМНВ мож но назвать механизм подачи стана холодной прокатки труб 450. Используя предлож енную методику последовательной частной оптимизац ии по критерию быстродействия э лектропривода, удалось слож ную многофакторную задачу разбить на ряд э тапов меньшей размерности и выделить наиболее актуальные из них.

“Узким звеном” оказались участки разгона и тормож ения э лектропривода. Чтобы уменьшить их продолж ительность, было увеличено отношение э лектромагнитного момента к моменту инерц ии ротора, что в э лектроприводе с СРМНВ достигалось значительно легче, чем в э лектроприводах другого типа, так как благодаря высокой радиальной ж ёсткости монолитного ротора удалось резко увеличить его длину. В итоге в э лектроприводе подачи сократили время перемещ ения э лектропривода до (0,15–0,2) с и добились точности 0,1 мм на перемещ ениях до 2,5 см. Ож идаемый годовой э кономический э ффект от внедрения результатов составляет около 3,0 млн. рублей.

В э лектроприводах тяговых механизмов применение методики позволяет обосновать по обобщ енному критерию минимума габаритов э лектропривода двухдиапазонное регулирование скорости, http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 77/ 7.2.2014 Антиплагиат В э лектроприводах тяговых механизмов применение методики позволяет обосновать по обобщ енному критерию минимума габаритов э лектропривода двухдиапазонное регулирование скорости, при э том за счет рац иональной выбора полож ения точки номинального момента на траектории движ ения э лектропривода по критерию минимума э лектрических потерь удалось снизить габариты силовой э лектроустановки (30–50) %.

на Заключение В диссертац ионной работе решена крупная актуальная научно-техническая проблема – разработка и исследование самостоятельного класса э лектроприводов переменного тока с СРМНВ, имеющ ая важ ное хозяйственное значение. Выполненные теоретические и э кспериментальные исследования позволяют отметить следующ ие основные результаты и сделать выводы:

1. Бурный рост силовой э лектроники и вычислительной техники в последние десятилетия привел к пересмотру традиц ионных решений в регулируемых э лектроприводах, например, стали необязательными такие традиц ионные решения, как трёхфазность, синусоидальность токов в многофазных э лектроприводах, а э то, с одной стороны, открыло новые возмож ности, а с другой стороны, потребовало пересмотра многих привычных взглядов на проектирование регулируемого э лектропривода. Примером такого решения является э лектропривод с СРМНВ, который следует рассматривать как отдельный класс э лектроприводов, предназначенный, в первую очередь, для производственных механизмов с тяж елыми и особо тяж елыми условиями э ксплуатац ии, имеющ их повышенные диапазоны изменения моментов нагрузки и скоростей. При э том расширение указанных показателей достигается без увеличения номинальной мощ ности э лектропривода и дает сущ ественное улучшение качества технологических реж имов.

2. Электропривод с СРМНВ имеет ряд бесспорных очевидных достоинств: бесконтактность, простая технологичная конструкц ия ротора, высокая механическая ж ёсткость и прочность ротора, простая однослойная обмотка статора, отсутствие обмотки на роторе. Показано, что предлож енная и развитая в работе конц епц ия проектирования, реализующ ая идею системного подхода, позволила сущ ественно улучшить потребительские качества э лектропривода: в длительном реж име при тех ж е э лектромагнитных нагрузках он развивает мощ ность на 15–20 % больше, чем асинхронный э лектропривод, имеет весьма высокие, до (5–7)МН, перегрузочные моменты, характеризуется более высокими, чем серийные асинхронные, синхронные и э лектроприводы постоянного тока величинами отношения э лектромагнитного момента к моменту инерц ии ротора.

3. Предлож ена и показала свою э ффективность обобщ ённая математическая модель э лектроприводов переменного тока с э лектродвигателями, имеющ ими произвольную конфигурац ию магнитной ц епи, в которой параметры полупроводникового преобразователя в диапазоне частот до половины от несущ ей аппроксимированы непрерывными динамическими звеньями, параметры э лектрической машины представлены как распределённые, развит алгоритм параллельного вычисления, выполненный по критерию минимума расчетного времени. Благодаря углублённому изучению физики проц ессов в э лектроприводе,предлож енная модель позволила обосновать ряд важ ных допущ ений и рекомендовать для применения в инж енерных расчетах упрощ енные методики, например, с использованием обмоточных функц ий.

4. Показано, что в э лектроприводе переменного тока с СРМНВ общ епринятое услож нение конструкц ии ротора (например, применением немагнитопроводящ их слоёв вдоль продольной оси, сниж ающ их механическую прочность ротора) не даёт долж ного э ффекта, так как он уж е выбран рац иональным управлением токами статора. Это позволяет рекомендовать для э лектроприводов с тяж елыми условиями э ксплуатац ии СРМНВ с массивным (ц елным) ротором.

5. Предлож ен алгоритм поэ тапной оптимизац ии э лектропривода с СРМНВ. На первом э тапе рекомендовано определять рац иональное соотношение меж ду затратами на медь обмотки статора и ж елезо магнитопровода. При э том учитываются затраты на все составляющ ие силовых э лементов э лектропривода: активные материалы э лектромеханического преобразователя (магнитопровод и обмоточная медь) и полупроводниковые э лементы.

На втором э тапе рекомендовано определять наилучшие относительные размеры э лементов конструкц ии двигателя (диаметр ротора, отношение диаметров сечения магнитопроводов статора и ротора, число пар полюсов).

Наконец, на третьем э тапе обосновываются схемы силовых ц епей статора и форма фазных токов. Показана ц елесообразность подключения фазных обмоток к индивидуальным источникам питания, выявлена по сравнению с синусоидальной э ффективность прямоугольной формы фазного тока, обеспечивающ ая выигрыш в величине отношения э лектромагнитного момента к среднеквадратичному току фазы до 20 %.

6. В диссертац ионной работе обобщ ена на э лектроприводы переменного тока проц едура идентификац ии э лектроприводов постоянного тока с использованием спектральных оц енок и синхронного детектирования. Показана ц елесообразность выделения (вычисления) трудноизмеряемых переменных э лектропривода (преж де всего, э лектромагнитного момента) с помощ ью наблюдателей, которые построены на основании моделей, ранее доказанных и учитывающ их спец ифику э лектромагнитных проц ессов в СРМНВ.

7. В диссертац ионной работе предлож ена и э кспериментально проверена математическая модель контура регулирования момента э лектропривода с СРМНВ как многомерной однотипной системы регулирования с амплитудной модуляц ией, в которой последовательно включены модулятор ( узел формирования фазных токов), линейная часть (контур регулирования фазных токов) и демодулятор (статорные и роторные ц епи, взаимодействующ ие в синхронном двигателе). Отличительной особенностью э той модели является то, что она представлена частотными характеристиками двух параллельных с переменными параметрами каналов регулирования фазных токов, при э том амплитуда и фаза одного из них определяется суммой, а второго – разностью двух частот: частотой пробного сигнала и частотой, соответствующ ей текущ ей угловой скорости двигателя.

8. С позиц ии системного подхода предлож ены и обоснованы алгоритмы управления э лектроприводом с СРМНВ, реализующ ие реж имы работы с предельными возмож ностями по перегрузкам и быстродействию. При э том поскольку число степеней свободы управляющ их воздействий в многомерной системе управления э лектроприводом с СРМНВ увеличено, оказывается ц елесообразным отказаться от стратегии векторного управления э лектроприводом переменного тока в пользу системы управления, аналогичной обращ енной многофазной машине постоянного тока. Предлож ены схемы, аналогичные э лектроприводам с независимым, последовательным возбуж дением и двухзонным регулированием скорости.

9. Показано, что в э лектроприводах реальных производственных механизмов, работающ их в э кстремальных условиях э ксплуатац ии, оптимальная траектория движ ения сшивается из отдельных отрезков, которые складываются из нескольких фазовых траекторий с различным набором ц елевых функц ий.

10. Примером удачного применения э лектропривода с СРМНВ мож но назвать механизм подачи стана холодной прокатки труб 450. Используя предлож енную методику последовательной частной оптимизац ии по быстродействию э лектропривода, удалось слож ную многофакторную задачу разбить на ряд э тапов меньшей размерности и выделить наиболее актуальные из них. “Узким звеном” оказалисьучастки разгона и тормож ения э лектропривода. Чтобы уменьшить их продолж ительность, было увеличено отношение э лектромагнитного момента к моменту инерц ии ротора, что в э лектроприводе с СРМНВ достигалось значительно легче, чем в э лектроприводах другого типа, так как благодаря высокой радиальной ж ёсткости монолитного ротора удалось резко увеличить его длину. В итоге в э лектроприводе подачи сократили время перемещ ения э лектропривода до 0,3–0,4 с и добились точности 0,1 мм на перемещ ениях до 2,5 см. Ож идаемый годовой э кономический э ффект от внедрения результатов составляет около 3,0 млн. рублей.

http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 78/ 7.2.2014 Антиплагиат 11.

Совокупность связанных единством ц елей и методологии научных полож ений представленного комплексного исследования мож ет рассматриваться как решение крупной научно технической проблемы – создания теории отдельного класса регулируемых бесконтактных э лектроприводов переменного тока с э лектрическими машинами нетрадиц ионной конструкц ии, на базе которой обеспечено повышение качества проектирования и технического уровня э лектроприводов переменного тока, освоенных рядом предприятий Юж ного Урала с общ им годовым э кономическим э ффектом более 10 млн. рублей Страницы: 1 2 3 4 5 Все О компании | Реклама на сайте | Добавить сайт Обратная связь | Лицензионное соглашение | Товарный знак С ис тема анализа текс тов на наличие заимс твований Р азработка ЗА О «Форекс ис »

C opyright © 2 0 0 5 —2 0 1 4 ЗА О «А нти- П лагиат». П рогнозирование и анализ данных http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 79/

Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 ||
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.