Автореферат магистерской работы по теме:

Исследование процессов при пуске асинхронного электропривода и обоснование параметров автоматизированного электропривода с функцией soft start

     Цель работы - разработать методику установления закономерности изменения параметров электромеханического переходного процесса при пуске короткозамкнутого асинхронного двигателя с помощью тиристорного регулятора напряжения.

      Задача работы - используя компьютерную модель посредством многоэтапного моделирования получить графические зависимости основных параметров электромеханического переходного процесса, наглядно представляющие общие взаимосвязи между входными и выходными координатами регулируемого электропривода.

      Альтернативной задачей для большинства электроприводов горных машин является обеспечение плавности разгона электроприводов. Этот вопрос, тем более важен, что основная масса таких электроприводов оснащена асинхронными короткозамкнутыми электроприводами.

      В настоящее время широко применяются следующие виды пуска асинхронного двигателя: пуск прямой подачей напряжения, переключением со звезды на треугольник, система плавного пуска и преобразователь частоты.

      Как известно контакторный пуск весьма динамичен, что обусловлено взаимодействием вынужденной и свободной составляющей магнитного потока электродвигателя на начальной стадии разгона, вследствие чего имеет место бросок тока и момента. Альтернативным техническим решением является применение тиристорного регулятора напряжения в замкнутых или разомкнутых системах управления разгоном привода. Учитывая практическую актуальность применения подобных систем, их исследование представляется также актуальным.

      Анализируя данный способ управления разгоном привода необходимо заметить, что регулирование напряжения на выходе последнего осуществляется путем варьирования угла включения входящих в его состав тиристоров. Поскольку для асинхронного двигателя значение максимального (критического) момента находится в квадратичной зависимости от напряжения питающей сети, диапазон регулирования скорости в системах скалярного управления несколько ограничен, и важным местом в обосновании целесообразности такого способа регулирования скорости занимает, в первую очередь, оценка возможности обеспечения необходимой перегрузочной способности системы электропривода. Так же следует обратить внимание на снижение величины пускового момента приводного асинхронного двигателя, поскольку эта величина так же находится в квадратичной зависимости от напряжения питающей сети не менее важным показателем в обосновании целесообразности применения ТРН, занимает, во вторую очередь, оценка кратности пускового момента и как следствие, возможности пуска приводного двигателя для описанного способа регулирования скорости.
       На рис. 1а представлено семейство механических характеристик соответствующих случаю питания асинхронного двигателя от идеального источника изменяющегося синусоидального напряжения.
                                                            а)                                                                                      б)

Рисунок 1 - Семейство механических характеристик асинхронного двигателя: а) при питании от идеального источника, изменяющегося синусоидального напря-жения; б) при питании от тиристорного регулятора напряжения.

      Рассмотрим работу разомкнутой системы управления тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный двигатель. На рис. 2 приведена практическая схема управления асинхронный двигатель с помощью тиристорного преобразователя напряжения состоящего из трех пар встречнопаралельно соединенных тиристоров, каждая из которых включена между фазой сети и фазой статора асинхронного двигателя. Регулирование напряжения на асинхронный двигатель в этой схеме осуществляется изменением угла управления, то есть сдвигом по времени управляющих импульсов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров. Управляющие импульсы подаются на все тиристоры не одновременно, а со сдвигом во времени на третью часть периода частоты сети. Это определяется тем, что управляющий импульс каждого тиристора должен быть сдвинут относительно напряжения той фазы сети, к которой подключен тиристор, на один и тот же угол управления , а фазные напряжения сети сдвинуты относительно друг друга на 120 град. (см. рис.4). При изменении угла управления изменяется напряжения на фазах асинхронного двигателя следующим образом: при увеличении угла амплитуда первой гармоники напряжения уменьшается [1]. На рис. 1б приведены механические характеристики асинхронного двигателя, каждая из которых соответствует одному значению угла управления .

Рисунок 2 – Разомкнутая система тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный двигатель.

     Наряду с математическими методами, может быть применен и метод компьютерного моделирования [2]. На рисунке 3 приведена структурная схема компьютерной модели процесса.

Рисунок 3 – Структурная схема компьютерной модели тиристорного регулятора напряжения

Рисунок 4 - Осциллограммы напряжений и тиристорного регулятора напряжения при работе на активно-индуктивную нагрузку (cos ф = 0.8): а) совмещенное напряжений фазы А и С на входе ТРН с импульсами системы импульсно-фазного управления (СИФУ) при угле регулирования = 900; в) форма напряжения фазы А и С на выходе ТРН.

                                                                                                                         
                                                                                                                         

Рисунок 5 – Напряжение на зажимах асинхронного двигателя в различные промежутки времени при питании от тиристорного регулятора напряжения при отработке заданного темпа разгона.

Таблица 1 – Сводные данные о структуре модели системы.

      Параметрическое управление напряжением является скалярным управлением. Что позволяет осуществить простое управление пуско-тормозными режимами работы электропривода, обеспечивая удовлетворительные статические и динамические характеристики электропривода промышленного механизма.

     Для установления закономерности изменения параметров электромеханического переходного процесса при пуске короткозамкнутого асинхронного двигателя с помощью тиристорного регулятора напряжения необходимо прибегнуть к следующей последовательности действий, которая может быть положена в основу разработки инженерной методики определения рациональных технико-экономических показателей работы электропривода.

     В работе [3] представлена математическая модель асинхронного двигателя в естественной трехфазной системе координат.

(1)

       

Тиристорный регулятор напряжения:

(2)

      Совместное решение системы обыкновенных дифференциальных уравнений (1) и кусочно-линейной системы (2) с начальными условиями, соответствующими пуску двигателя и заранее известным законом интенсивности изменения величины позволит получить зависимости момента, тока, угловой частоты вращения в функции времени при неизменном значении нагрузки на валу машины.

      Были проведены многоэтапные расчеты согласно предложенной инженерной методике. В единичных опытах (см. рис 6) наблюдались зависимости , для последующих опытов изменялось начальное значение при неизменном конечном, что влияло на интенсивность изменения величины (см. рис.7)

Рисунок 6 – Пуск асинхронного двигателя при питании от тиристорного регулятора напряжения для различных законов изменения управляющего воздействия.

Рисунок 7 – Интенсивность изменения управляющего воздействия системы управления тиристорного регулятора напряжения.

       

Полученные зависимости представлены на рис. 8 и рис. 9

Рисунок 8 – Семейство зависимостей при изменении управляющего воздействия согласно рис. 7

Рисунок 9 – Семейство зависимостей при изменении управляющего воздействия согласно рис. 7

      Статистическая обработка осциллограмм позволяет получить следующие данные, которые сведены в таблице 2.

      По результатам построены зависимости (см. рис. 10) для удобства анализа.

Рисунок 10 – Графические зависимости , и в абсолютных единицах.

      Очевидно, что применение абсолютных единиц измерения не позволит расширить результаты исследования, упростить понимание процессов. Преложен переход к системе относительных единиц. За базовые значения приняты:
        – номинальный вращающий момент на валу двигателя, Н•м ;
        – номинальный ток статора двигателя, А;
        – номинальное время разгона двигателя (для исследуемого двигателя при нагрузке на валу равной моменту холостого хода), с;
       

Предложены следующие формулы:

Результаты исследования при переходе к относительной системе величин приведены на рис. 11.

Рисунок 11 – Графические зависимости , и в относительных единицах.

Основными закономерностями, выявленными в ходе работы следует считать следующее:

      1. время разгона привода обратно пропорционально зависит от интенсивности изменения ;

    2. увеличение времени разгона снижает величину броска момента при пуске, что благоприятно сказывается на значениях ударных нагрузок в механической части электропривода;

      3. наблюдается незначительное влияние времени разгона на снижение величины пускового тока;

      4. используя аналитические зависимости для определения количества потребляемой электрической энергии за цикл работы привода, целесообразно предположить экономию электрической энергии;

Возможные направления исследования:

    1. Получение аналитических выражений для зависимости основных параметров электромеханического переходного процесса.

      2. Расширение возможностей модели, что касается исследования взрывозащищенных асинхронных двигателей.

      3. Расширение ряда мощностей исследуемых асинхронных двигателей.

      4. Исследование параметров электромеханического переходного процесса на предмет его влияния на продолжительность срока службы приводных двигателей, элементы трансмиссии (ремни, редукторы, валопроводы).

      5. Вопросы экономии потребляемой электрической энергии.

Перечень ссылок

2. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Matlab 6.0: Учебное пособие. – СПб.: КОРОНА принт, 2001. – 320 с., ил.

3. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов по спец. «Электрич. мишины». – М.: Высш. шк., 1987. – 284 с.:ил.

4. Борисенко В.Ф, Мельник А.А. Особенности моделирования момента сопротивления, зависящего от угла поворота исполнительного органа. г. Донецк. Инженер: Студенческий научно-технический журнал, ДонНТУ, 2003. №4.–161 с.130-133.