Разработка и исследование замкнутых систем и некоторых специальных режимов работы асинхронного электропривода с фазовым управлением в роторной цепи

• Автор: Рожков, Вячеслав Владимирович
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 179 с. : ил.

Актуальность темы.

Для целой гаммы промышленных механизмов (краны, волочильные машины и т.д.) в процессе выполнения производственного цикла требуется осуществление плавных пуска и торможения, а также обеспечение лишь кратковременной работы на пониженной скорости. Приводной машиной таких механизмов преимущественно является асинхронный двигатель с фазным ротором. Для пуска и торможения двигателей указанных механизмов, как правило, используется ступенчатый реостатный релейно-контакторный вариант, а регулирование скорости осуществляется на реостатных характеристиках.
Исходя из современных тенденций, этот класс электроприводов требует модернизации для обеспечения лучшей управляемости и расширения диапазона регулирования скорости. Асинхронные электроприводы (АЭП) с фазовым управлением в роторной цепи позволяют полностью обеспечить технологические требования к этому классу промышленных механизмов -осуществить плавные пуск и торможение двигателей, обеспечить регулирование скорости в диапазоне (10-12):1 достаточно простыми и недорогими средствами. Таким образом, областью рационального практического применения исследуемой системы в первую очередь являются механизмы, в которых используется явно устаревшее релейно-контакторное управление.

Остановимся более подробно на общих положениях рассматриваемой задачи.

АЭП указанных механизмов являются так называемыми «электроприводами с потерей энергии скольжения». В таких электроприводах наиболее целесообразно использовать асинхронные двигатели с фазным ротором, поскольку их применение позволяет вынести часть энергии скольжения за пределы двигателя и, соответственно, уменьшить его нагрев.

Наличие фазного ротора двигателя естественным образом открывает канал управления в роторной цепи. Фазовое полупроводниковое управление двигателем в общем случае может осуществляться как в статорной, так и в роторной цепях. Однако, полупроводниковое управление в статорной цепи оказывает более негативное влияние на питающую сеть (искажение формы питающего напряжения), тогда как при управлении в цепи ротора двигатель выполняет роль своеобразного фильтра. При управлении же по цепи статора необходимо предусматривать наличие фильтро-компенсирующих устройств.
В исследуемом электроприводе в цепь фазного ротора асинхронного электродвигателя включен управляемый трехфазный мостовой выпрямитель (как правило, тиристорный). Принципиальным отличием от «классической» схемы Ларионова является необходимость синхронизации системы импульсно-фазового управления не частотой напряжения питающей сети, а частотой роторного напряжения, т.е. сигналом, пропорциональным скольжению.
Преимуществом данной системы при реализации является то, что обслуживающему электротехническому персоналу, имеющему опыт работы с «классическим» тиристорным преобразователем напряжения, не требуется переквалификация на аналогичный управляемый выпрямитель в роторной цепи.
Таким образом, применение АЭП с фазовым управлением в роторной цепи позволяет сравнительно простым и дешевым способом осуществлять управление асинхронными двигателями в достаточно широком диапазоне мощностей (от единиц до тысяч киловатт).
Выход управляемого выпрямителя может быть может быть закорочен либо нагружен на активную или активно-индуктивную цепь. При изменении угла отпирания тиристоров изменяется фаза протекания тока в роторе (отсюда термин - «фазовое управление»), его действующее значение и, следовательно, величина развиваемого двигателем момента.

В разомкнутой системе при изменении угла управления тиристорами от 0 до максимального значения достигается эффект плавного изменения фазного индуктивного сопротивления ротора, при этом семейство механических характеристик располагается от основной или реостатной характеристики до оси скорости. Наличие добавочного сопротивления в цепи выпрямленного тока ротора либо в фазах ротора необходимо для ограничения пускового тока, снижения установленной мощности преобразователя, расширения диапазона регулирования момента на низких скоростях вращения и, соответственно, обеспечения необходимого пускового момента. Использование задатчика интенсивности позволяет обеспечить плавный пуск двигателя с ограничением динамического момента. Переход на основную характеристику по завершении процесса пуска осуществляется выведением резисторов в цепи выпрямленного тока либо в фазах ротора по сигналу системы управления.
В разомкнутой системе невозможно формирование жестких участков механических характеристик и регулирование скорости в приемлемом диапазоне. Для этого должны быть применены замкнутые системы с использованием обратных связей (ОС) по скорости двигателя или по скольжению — фактически ЭДС ротора. В условиях финансовой экономии, широко распространенной на современных российских провинциальных заводах, последний вариант более предпочтителен, так как не требует установки и последующего технического обслуживания дополнительной электрической машины — тахо-генератора либо иного датчика скорости и дает приемлемую точность стабилизации пониженной скорости и качество регулирования в целом. Для формирования сигнала ОС по скольжению достаточно блока синхронизирующих трансформаторов и слаботочного выпрямителя для снятия ОС по роторному напряжению, а также шунта с датчиком тока для снятия сигнала ОС по выпрямленному току. Суммированием этих сигналов выделяется ОС по скольжению. При наличии высоких требований, предъявляемых к качеству регулирования исходя из технологии, необходимо применение замкнутых систем исследуемого АЭП с использованием ОС по скорости вращения двигателя.
1.5. Выводы

Итогом главы является создание программного обеспечения для моде-* лирования различных режимов работы исследуемой системы АЭП.
1. Получены варианты математического описания исследуемого АЭП: с учетом дискретности управляемого выпрямителя («полный») и на основании схемы замещения силовой части системы АЭП по цепи выпрямленного тока ротора («упрощенный»).
2. Полученное описание расширено возможностью учета насыщения магнитной цепи двигателя по пути главного потокосцепления, позволяющего более детально исследовать динамику системы исследуемого АЭП.
3. Для «полного» и «упрощенного» вариантов математического опи-ж сания исследуемой системы созданы пакеты компьютерных моделей на языке высокого уровня РоПгап и в визуально-ориентированном виде в СКМ МАТЬАВ. Продемонстрированы особенности указанных вариантов моделирования.
4. Проверена адекватность «полного» и «упрощенного» вариантов моделирования путем оценки получаемых мощностей на валу двигателя и механической энергии за время пуска в обоих случаях. Выявлено, что «упрощенному» варианту моделирования присущи относительная простота и быстрота получения удовлетворительных результатов, которые обладают

достаточной точностью. Получено максимальное расхождение по мощности на валу между вариантами моделирования 10,3%, а по величине механической энергии за время пуска - 3,1%, что подтверждает адекватность количественной оценки результатов моделирования.