WWW.NET.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Интернет ресурсы
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский ...»

-- [ Страница 1 ] --

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

ISSN 2071-6168

65 лет Победы

в Великой Отечественной войне

80 лет

ИЗВЕСТИЯ

ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО

УНИВЕРСИТЕТА

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Выпуск 3

Часть 2

Издательство ТулГУ Тула 2010 ISSN 2071-6168 УДК 62-83 Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010.

Ч. 2. 252 с.

Рассматриваются научно-технические проблемы в области автоматизированного электропривода, теоретические основы электропривода, программные и технические средства технологического применения автоматизированного электропривода в машиностроении, нефтегазовой и оборонной промышленности, энерго- и ресурсосбережение средствами электропривода, вопросы подготовки и переподготовки инженерных и научных кадров по электроприводу.

Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике технических наук.

Редакционный совет М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, В.В. ПРЕЙС – главный редактор, В.А. АЛФЕРОВ, И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, В.С. КАРПОВ, Р.А. КОВАЛЁВ, А.Н. ЧУКОВ, Е.А. ФЕДОРОВА, А.А. ХАДАРЦЕВ Редакционная коллегия О.И. Борискин (отв. редактор), В.С Карпов (зам. отв. редактора), Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора), В.Б. Морозов (отв. секретарь), А.Е. Гвоздев, А.Н. Иноземцев, А.Б. Копылов, Е.А. Макарецкий, Е.П. Поляков, В.В. Прейс, П.Г. Сидоров, В.М. Степанов, А.А.Трещёв, С.С. Яковлев, А.С. Ямников Подписной индекс 27851 по Объединённому каталогу «Пресса России»



«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых должны быть опубликованы научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора наук © Авторы научных статей, 2010 © Издательство ТулГУ, 2010

НОВЫЕ ПРОГРАММНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

УДК 62-83:004 М.И. Альтшуллер, канд. техн. наук, зав. отд. электропривода, (8352) 22-01-19, altshuller-m@ekra.ru (Россия, Чебоксары, ООО «НПП «ЭКРА»), С.А. Лазарев, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, ведущий специалист отд. электропривода, (8352) 22-01-10, lazarev-s@ekra.ru (Россия, Чебоксары, ЧГУ, ООО «НПП «ЭКРА»), И.И. Иванчин, магистр техники и технологий, асп., инженер-программист, (8352) 22-01-10, lazarev-s@ekra.ru (Россия, Чебоксары, ЧГУ, ООО «НПП «ЭКРА»)

РЕЛЕЙНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТОКА В ВЫСОКОВОЛЬТНОМ

ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

Рассмотрен один из возможных принципов управления высоковольтным частотно-регулируемым электроприводом. Изложены вопросы, возникающие при реализации релейного регулятора тока в многоуровневом инверторе с использованием цифровых датчиков тока.

Ключевые слова: рабочее напряжение силовых ключей, повышающий выходной трансформатор, релейный регулятор тока, линейный регулятор тока.

Современный рынок высоковольтной преобразовательной техники предъявляет жёсткие требования для обеспечения надёжной и безопасной работы приводных механизмов. При этом преобразователь частоты должен обеспечить на стороне сети: синусоидальные формы напряжений и токов, быть нечувствителен к воздействиям со стороны сети, иметь высокий коэффициент мощности, и на стороне двигателя: низкий коэффициент гармоник в выходном напряжении, синусоидальный ток, незначительные пульсации вращающего момента, возможность безопасного управления старыми двигателями.

Применение низковольтных схемных решений инверторов напряжения для высоковольтных двигателей переменного тока приводит к необходимости использовать силовые ключи на высокие напряжения. На двиИзвестия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 гатель в этом случае, с учетом времени нарастания выходного напряжения инвертора 0,25 – 1 мкс, будет подаваться напряжение с высоким du/dt, что приведет к уменьшению срока эксплуатации высоковольтного двигателя (износ подшипников и старение изоляции обмоток). Кроме того, необходимо учесть возможный пробой изоляция силового кабеля из-за волновых процессов в нем, стоимость высоковольтных силовых приборов и необходимые меры борьбы с генерируемыми помехами. Всё сказанное обуславливает поиск более приемлемых решений для высоковольтного инвертора.

Существует две схемы высоковольтного привода, позволяющих понизить рабочее напряжение силовых ключей. Первый вариант предполагает получение высокого напряжения с помощью повышающего выходного трансформатора, который в этом случае может являться элементом фильтра для двигателя. Эффективность данного решения падает с уменьшением выходной частоты напряжения из-за потерь в выходном трансформаторе.

Во втором – используются различные схемные варианты последовательного включения силовых приборов. Одна из таких схем предполагает последовательное включение силовых ячеек (рис.1). Силовые ячейки (рис.2) состоят из трехфазной мостовой схемы выпрямителя (VD1-VD6), фильтра звена постоянного тока (С1) и однофазной мостовой схемы инвертора напряжения (VT1-VT4). Входной трансформатор при этом может оставаться стандартным (схема с плавающими конденсаторами) либо быть многообмоточным [1]. В последнем случае уменьшается влияние инвертора на сеть вследствие применения фазового сдвига между вторичными обмотками трансформатора.

Управление двигателем осуществляется путем формирования в его обмотках переменного тока, который определяется исходя из выбранного режима работы электропривода. Такое формирование тока осуществляется посредством линейного или релейного регулятора тока. В первом случае в контуре формирования тока применяется пространственная, либо векторная модуляцией, или синусоидальная ШИМ. Каждый из этих методов реализации имеет свои достоинства и недостатки.

Рис. 1. Схема с последовательным включением силовых ячеек Использование линейного регулятора тока позволяет работать силовым приборам в более безопасном режиме, когда частота коммутации строго определена и постоянна, при этом возможно получить малый коэффициент гармонических искажений по напряжению. Однако, при питании многоуровневого инвертора от нескольких независимых выпрямителей, для получения качественного напряжения может потребоваться введение поправочного коэффициента, учитывающего напряжение в звеньях постоянного тока силовой ячейки. При работе без нагрузки возможно появление низкочастотных колебаний тока и, соответственно, напряжения. Для более полного использования инвертора по напряжению в случае применения синусоидальной ШИМ в синусоиду задания замешивается третья гармоника [2, 3].

Напротив, контур тока с релейным регулятором имеет лучшие динамические показатели. Форма тока не зависит от количества независимых силовых ячеек и уровней напряжения на них. В этом случае коэффициент гармонических искажений тока не хуже, чем при использовании линейного регулятора. Но при этом коэффициент гармоник по напряжению более высок. Применение “жесткого” регулирования частоты коммутации ключей (дельта регулятора [1]) приводит к ухудшению качества и тока, и напряжения. В остальных случаях могут ухудшиться условия работы силовых ключей инверторов.

Работа релейного регулятора тока отличается от линейного тем, что выходное напряжение определяется текущим значением тока в двигателе напрямую. Таким образом, напряжение на выходе фазы инвертора, строго говоря, может быть несинусоидальным. Наличие нескольких ступеней квантования по уровню напряжения в многоуровневом инверторе уменьшает скорость изменения тока в нагрузке при изменении напряжения на один уровень, что приводит к более инертному поведению тока и созданию условий для последовательной коммутации нескольких ключей, что не только ухудшает выходное напряжение инвертора, но и увеличивает Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 частоту переключения ключей. Устранение отмеченного недостатка реализуется путем запрета коммутации двух и более уровней напряжения в малый промежуток времени.

Функционально блок, предотвращающий избыточные коммутации представлен на рис.3.





В схеме рис. 3 разрешено прохождение управляющего сигнала при положительной производной и при превышении ошибкой максимального уровня.

Алгоритм работы схемы описывается следующими выражениями:

если d|e|/dt 0, то x = e;

иначе, если |e| E и | e | K -de/dt, то x = e;

иначе x = 0.

В этом алгоритме предусмотрена возможность настройки уровня максимальной ошибки Е, при которой управляющий сигнал проходит на релейный регулятор РР, когда ошибка уменьшается, то есть производная отрицательна. При этом происходит сравнение значения производной и абсолютной ошибки помноженной на коэффициент К, который определяет минимально допустимую производную для текущего значения ошибки.

Работа алгоритма в однофазной системе для RL-нагрузки с постоянной времени T = 0,05 с показана на рис. 4 и рис. 5. Блок учета производной был настроен на прохождение сигнала при модуле ошибки более 2 и скорости её уменьшения менее 1/10 от максимальной. Максимальная ошибка определяется выражением (1), U max de =, (1) dtmax L где U max - уровень напряжения инвертора, L - индуктивность цепи.

Рис. 3. Блок учета производной

Применение блока учета производной уменьшило суммарный коэффициент гармоник напряжения THD, рассчитанный до 50-й гармоники, с 47,9 до 16,6 %. Таким образом предложенная схема блока учета производной по абсолютной ошибке работоспособна и позволяет путем настройки коэффициента К получить вполне удовлетворительную форму напряжения на выходе инвертора.

Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода Рис. 4. Производная по абсолютной ошибке (а) и ошибка по току (б) Рис. 5. Форма кривых напряжения и тока в однофазной системе Для трехфазной системы при нагрузке, соединенной в «звезду» с изолированной нейтралью, блок учета производной позволяет получить формы напряжения и тока, представленные на рис.6. В многофазной системе на формирование тока в фазе нагрузки кроме напряжения, приложенного к соответствующей фазе, оказывают влияние на напряжения в соседних фазах, поэтому при работе релейного регулятора тока в многофазной системе в форме напряжения гармонические искажения проявляются сильнее. Контроль производной по ошибке для этого случая уменьшил коэффициент гармоник THD с 52,4 до 29,7 %, сохранив при этом динамические достоинства релейного регулятора тока по отработке управляющего воздействия.

Сложность реализации цифрового контура тока с релейным регулятором в первую очередь связана с реализацией быстродействия данного контура, и во вторую – с параллельной обработкой трех фаз. Реализация на ПЛИС позволила управлять фазами инвертора параллельно, при этом каждый однофазный инвертор управляется независимо, а временная задержка, связанная с обработкой сигналов датчиков и формированием управляющего сигнала минимальна.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2

Рис. 6. Форма кривых напряжений и токов в трёхфазной системе

Использование цифрового релейного регулятора тока предъявляет повышенные требования к АЦП датчиков тока. При чем не только к частоте оцифровки тока, но и ко времени оцифровки.

В контуре тока существуют следующие временные задержки:

- задержка передачи данных управления: дискретность канала и задержки в оптике;

- задержка в драйвере силового ключа и время коммутации ключа;

- задержка аппаратного фильтра датчика тока;

- время оцифровки сигнала в АЦП датчика тока;

- задержка передачи данных обратных связей управления: дискретность канала и задержки в оптике;

- задержка вычислений и цифровой фильтрации данных АЦП датчика тока.

Рис.7 показывает суммарное время задержек между формированием управляющего сигнала на изменение уровня напряжения и сигналом с датчиков напряжения и тока инвертора, снятое экспериментально.

Рис. 7. Задержка данных по обратной связи Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода В сумме все эти задержки и предполагают запрет на анализ данных по току в течение некоторого времени после изменения сигнала управления. Время этой задержки, совместно с шириной «токового коридора» 2, определяет такие параметры контура тока как: частота коммутации, качество тока двигателя и быстродействие контура тока. При определении параметров релейного регулятора, нужно учитывать, что время запрета в значительной степени влияет на время реакции системы на управляющий сигнал, но в то же время, если оно будет слишком малым, то система, получая «старую» информацию и по ней принимая решение, может стать неустойчивой.

Работа алгоритма была опробована на макете 7-уровневого инвертора с асинхронным двигателем 30 кВт, 380 В. Сам алгоритм был непосредственно реализован на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) семейства Cyclone III фирмы Altera. На рис.8 показаны полученные линейное напряжение и токи в фазах двигателя при работе релейного регулятора тока.

Рис. 8. Экспериментальная форма токов и напряжения на выходе инвертора На рис. 9 и рис. 10 представлены зависимость качества линейного напряжения и тока, а также условия работы силовых ключейк в зависимости от ширины токового коридора и времени запрета.

Можно заметить, что величина токового коридора в большей степени влияет на коэффициент гармоник напряжения. Так, при малом коридоре – регулятор просто не успевает его отрабатывать, в результате появляются большие искажения напряжения при пониженной частоте коммутации силовых ключей. При увеличении ширины коридора регулятор начинает точнее отрабатывать задание и улучшается качество напряжения. При дальнейшем увеличении ширины токового коридора частота коммутации вновь увеличивается, а качество тока и напряжения ухудшается. Таким образом, можно определить оптимальную ширину коридора, при

–  –  –

Время запрета коммутации должно быть как можно ближе к суммарному времени задержек в системе и поэтому выбирается из первого минимума коэффициента гармоник в токе и напряжении. Следует отметить, что первый минимум коэффициента гармоник тока получился и саНовые программные и технические средства автоматизированного электропривода мым низким. При больших значениях времени запрета наблюдается плавное снижение частоты коммутации и ухудшение качества тока.

Хотелось бы обратить внимание, что частота коммутации силовых ключей в такой схеме составляет 1/N от результирующей частоты коммутации напряжения на выходе фазы инвертора (N – число последовательно включенных инверторов в фазе), что существенно уменьшает динамические потери в ключах инвертора.

Предложенное схемное решение и алгоритм позволяет использовать достоинства релейного регулятора тока в многоуровневых схемах высоковольтных преобразователей и сохраняет приемлемый коэффициент пульсаций напряжения на выходе инвертора при уменьшении частоты коммутации ключей инвертора.

Использование многоуровневого инвертора с системой релейного регулирования тока и запретом на одновременную коммутацию нескольких ключей в фазе имеет меньшее в сравнении с другими схемами значение du/dt, что увеличивает срок службы высоковольтных двигателей и делает возможным провести модернизацию электропривода без замены старого двигателя на новый с улучшенной изоляцией.

Результаты проведенной работы применяются в разработках ООО «НПП «ЭКРА».

Список литературы

1. Corzine K.A. Operation and Design of Multilevel Inverters.

University of Missouri-Rolla, 2005.

2. Донской Н.В. Регулируемые электроприводы переменного тока.

Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2007. 204 с.

3. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Академия, 2006. 272 с.

M. Al`tshuller, S. Lazarev, I. Ivanchin Relay regulation of the current in high-voltage electric drive One the of method of the medium voltage variable-frequency electric drive control is considered. There is attracted the problem of realize a relay current regulator in the multilevel converter with digital current sensors.

Key words: operating voltage power switches, relay current regulator, a linear current regulator.

–  –  –

УДК 62-83:004 В.В. Галкин, нач. научно-технического центра, (3519) 29-84-34 askaran@mail.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО “ММК”), А.С. Карандаев, д-р техн. наук, проф., декан, зав. кафедрой, (3519) 29-84-34, askaran@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ), В.В. Головин, канд. техн. наук, заслуженный энергетик РФ, нач. центральной электротехнической лаборатории, (3519) 29-84-34, cetl_golovin@mmk.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО “ММК”), А.А. Радионов, д-р техн. наук, зав. кафедрой, (3519) 29-84-34, RadionovAA@rambler.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ), В.Р. Храмшин, канд. техн. наук, доц., зам. декана, (3519) 29-84-34, hvr_mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ), В.Р. Гасияров, асп., (3519) 29-84-34, askaran@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ), О.А. Залогин, асп., (3519) 29-84-34, askaran@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ)

АЛГОРИТМ РАСЧЁТА СКОРОСТНЫХ И НАГРУЗОЧНЫХ

РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ КЛЕТЕЙ ПРОКАТНОГО СТАНА

ПРИ ПРОКАТКЕ ТОЛСТЫХ ПОЛОС

Разработан алгоритм расчета энергосиловых параметров электроприводов клетей широкополосного стана 2000 и толстолистового стана 5000 горячей прокатки. В основу алгоритма положены полученные ранее зависимости для определения момента нагрузки главного электропривода клети, учитывающие особенности геометрии очага деформации при прокатке трубной заготовки, а также зависимости, позволяющие определить эквивалентный ток за цикл прокатки по технологическим параметрам без промежуточных расчетов нагрузочной диаграммы.

Ключевые слова: алгоритм расчета, эквивалентный ток, статический момент.

Ввод в эксплуатацию на промплощадке ОАО “Магнитогорский металлургический комбинат” нового толстолистового стана 5000 и освоение нового сортамента прокатки трубной заготовки на непрерывном широкополосном стане 2000 определяют необходимость теоретического анализа энергосиловых параметров процесса горячей прокатки толстых полос. Скоростные и нагрузочные диаграммы электроприводов клетей прокатного стана являются взаимозависимыми ограничивающими факторами, накладываемыми на технологический процесс в целом. Поэтому их анализ необходим для формирования новых и уточнения имеющихся технологических программ.

Прокатка толстой полосы на непрерывных станах горячей прокатки и на реверсивных станах имеет отличия. На непрерывных станах прокатка ведется при переменной скорости. Передний конец захватывается поочеНовые программные и технические средства автоматизированного электропривода

–  –  –

в котором коэффициенты Ak, Bk, Ck определяются следующими соотношениями V lc Ak = k = 0 k, Bk = 0, Ck = (ak + bk ) k, (8) V0 n aн где l0, – начальная длина сляба перед первым проходом; V0, Vk – установившиеся скорости перед первым и в k-м проходе соответственно; n – число проходов при прокатке; ck = n k / ц – коэффициент длительности прохода.

Представленный подход был применен для расчета эквивалентного тока двигателей постоянного тока приводов клетей стана 2000 и электромагнитного момента синхронных двигателей клети стана 5000. В табл. 1, 2 приведены результаты расчета и экспериментальных исследований нагрузочных режимов электроприводов клетей указанных станов. Для стана 2000 показаны режимы прокатки трубной заготовки из стали марки 22ГЮ, 09Г2Д, 09Г2С, 09ГСФ и 13Г1С-У, а для на стана 5000 – режимы прокатки слябов из следующих марок сталей: 10ХСНД, К56, К60, К65 и Ст3сп. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет сделать вывод об адекватности теоретических расчетов – ошибка в расчетах не превышает 9…10 %.

–  –  –

В целом, опыт расчетов эквивалентного тока (электромагнитного момента) показал, что предложенный алгоритм значительно упрощает расчеты и позволяет получать значения эквивалентного тока (электромагнитного момента) двигателя клети без промежуточных расчетов нагрузочной диаграммы.

Список литературы

1. Гасияров В.Р., Пузанкова Е.А., Радионов А.А. Методика расчета момента прокатки на толстолистовом стане 5000 // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2009.

Вып. 16. C. 100-109.

2. Карандаев А.С., Одинцов К.Э., Титов А.А. Аналитические зависимости для расчета эквивалентного тока электродвигателя клети толстолистового стана // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. № 1. С. 84-87.

V. Galkin, A. Karandaev, V. Golovin, A. Rodionov, V. Xramshin, V. Gasiyarov, O. Zalogin Algorithm of calculation of high-speed and loading modes of electric drives of cages of the rolling mill at the rolling of thick strips The algorithm of account of power parameters of electric drives of stands of the broad-strip mill 2000 and the plate mill 5000 hot rollings is developed. In algorithm the ground the cages considering features of geometry of the nucleation site for of deformation at rolling of a round billet, and also the dependence are assumed gained before dependence for definition of the moment of load of the main electric drive, allowing to define an equivalent current for a rolling cycle on technological parameters without intermediate accounts of the load chart.

Keywords: algorithm of the calculation, equivalent current, the static moment.

Получено 06.07.10 Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2

УДК 62-83:004 Н.Е. Гнездов, канд. техн. наук, доц., (4932) 26-97-09, gnezdov@drive.ispu.ru (Россия, Иваново, ИГЭУ), А.В. Разживин, соискатель, (4932) 26-97-09, gnezdov@drive.ispu.ru (Россия, Иваново, ИГЭУ), С.К. Лебедев, канд. техн. наук, доц., (4932) 26-97-09, lebedev@drive.ispu.ru (Россия, Иваново, ИГЭУ), А.Р. Колганов, д-р техн. наук., проф., зав. кафедрой, (4932) 26-97-09, klgn@drive.ispu.ru (Россия, Иваново, ИГЭУ)

ЦИФРОВАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НАБЛЮДАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ

И НАГРУЗКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Предложена методика расчёта предельно достижимой динамики наблюдателей при их реализации в микропроцессорной системе управления, выполняющей расчеты в числах с фиксированной точкой без переполнения переменных. Описана цифровая реализация экспериментального образца наблюдателя состояния.

Ключевые слова: методы численного интегрирования, микропроцессорная система управления, наблюдатель.

Существенный импульс к расширению использования наблюдателей состояния и нагрузки [1, 2] в быстродействующих системах электроприводов переменного тока дал значительный рост быстродействия и производительности специализированных микропроцессоров. Достигнутые в настоящее время характеристики DSP-микроконтроллеров позволяют осуществлять цифровую реализацию наблюдателей, синтезированных в рамках непрерывных систем.

Ранее авторами были разработаны методики синтеза наблюдателей состояния и нагрузки с повышенным порядком астатизма, заданной полосой пропускания и компенсацией динамической ошибки восстановления [2, 3].

Результаты моделирования синтезированных по указанным методикам наблюдателей для электромеханических систем с жесткой и упругой механикой подтвердили:

– отсутствие в восстановленных значениях переменных статических ошибок, вызванных действием на объект возмущений сложной формы;

– компенсацию динамической погрешности, обусловленной негативным влиянием «нулей» передаточных функций при ненулевых начальных условиях и действии внешних возмущений;

– определение мгновенного значения механической нагрузки, действующей на двигатель или рабочую машину, при её изменении по произвольному закону или с заданной полосой частот, что открывает путь к применению принципов комбинированного управления с использованием обратной связи по возмущению.

Рис. 1. Структурная схема наблюдателя состояния с астатизмом 2-го порядка для двухмассовой упруговязкой электромеханической системы Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2

–  –  –

Как видим, с повышением порядка наблюдателя для соблюдения условия его работы в линейной зоне приходится в разы снижать его полосу пропускания. При этом можно не выполнить требования технического задания по динамике и точности восстановления переменных.

Выйти из данной ситуации, можно, увеличив размерность переменных или уменьшив период расчета. И то, и другое связано с повышением затрат на аппаратную часть системы управления.

С учетом вышесказанного для цифровой реализации наблюдателей состояния был выбран DSP-микроконтроллер TMS320F28335 фирмы «Texas Instruments», который не только обладает производительностью до 300 миллионов операций, но и позволяет проводить вычисления в формате с плавающей точкой.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 Основным элементом экспериментальной установки (рис. 2, 3) является отладочная плата, которая, с одной стороны, через блок питания подключается к сети переменного тока, а с другой стороны через промежуточное устройство (JTAG-эмулятор или конвертер «USB-CAN») соединена с персональным компьютером с установленной на нем средой программирования и отладки программ для микроконтроллера отладочной платы.

Рис. 2. Функциональная схема экспериментальной установки

Разработка программного обеспечения для проведения экспериментов выполнялась в два этапа. Сначала с помощью инструмента Embedded Target for TI C2000 DSP имитационные модели системы «объект – наблюдатель состояния» были транслированы в программный код на языке С. Анализ полученного кода показал, что перед применением в экспериментальной установке необходима его серьезная коррекция. В результате на втором этапе программный код был практически написан заново, с учетом особенностей отладочной платы и TMS320F28335. Для сравнения, вычисления системы «объект – наблюдатель состояния» реализованы как в формате с фиксированной, так и с плавающей точкой. Экспериментальные исследования подтвердили описанные выше расчеты, работоспособность и качества наблюдателей, полученные по предложенным методикам.

Рис. 3. Внешний вид экспериментальной установки Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода Таким образом, созданы, отлажены и исследованы экспериментальные образцы астатических наблюдателей состояния и нагрузки электромеханических систем, готовые к применению в реальных системах управления электроприводов.

–  –  –

1. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.: Машиностроение, 1976. 184 с.

2. Лебедев С.К. Алгоритмы синтеза наблюдателей нагрузки электропривода // Вестник ИГЭУ. Иваново, 2009. № 3. С. 5-8.

3. Глазунов В.Ф. Разработка и исследование многодвигательных систем электроприводов переменного тока с нежесткой механикой // Вестник ИГЭУ. Иваново, 2005. № 3. С. 6-11.

4. Лебедев С.К. Выбор параметров стандартных распределений при синтезе электроприводов // Вестник ИГЭУ. Иваново, 2008. №3. С. 14-16.

N. Gnezdov, A. Razzhivin, S. Lebedev, A. Kolganov Digital realisation of observers of a condition and loadings of electric drives Calculation method of maximum observer dynamic for microprocessor fixed point control system without arithmetic overflow is offered. Description of state observer operative embodiment is given.

Keywords: methods of numerical integration, microprocessor control system, observer.

–  –  –

УДК 62-83:004 Д.В. Ишутинов, ст. преподаватель (8332) 64-25-25, khoroshavinvs@vgu.ru (Россия, Киров, ВятГУ), С.И. Охапкин, канд. техн. наук, доц. (8332) 64-25-25, khoroshavinvs@vgu.ru (Россия, Киров, ВятГУ)

РАСЧЁТ Q-H ХАРАКТЕРИСТИК НАСОСОВ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АППРОКСИМАЦИИ МЕТОДОМ

НАИМЕНЬШИХ КВАДРАТОВ

Показано, что при проектировании систем водоснабжения возникает необходимость расчета параметров и режимов работы насосных агрегатов. Показано преимущество аппроксимации Q(-H)-характеристик насоса полиномом n-го порядка по сравнению с расчетом на основании формул подобия, т. к. каталожная характеристика насоса не имеет аналитического описания.

Ключевые слова: насосный агрегат, Q-H характеристика, формулы подобия.

Введение. Постановка задачи. При проектировании систем водоснабжения должна проводиться предварительная оценка эффективности Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 применения того или иного метода регулирования производительности насосного агрегата. Мониторинг существующих систем преследует цель определения режимов работы насосов: оценки нагрузки на валу двигателя, количественной оценки и характера потребления мощности. Такие исследования позволяют получить комплексную оценку качества энергопотребления.

При проведении расчетов режимов работы насосных агрегатов часто возникает необходимость проводить пересчет Q-H характеристик насосного агрегата для скорости вращения двигателя отличной от номинальной, приводимой в каталоге.

Известно [1], что расчет рабочей точки на Q-H характеристике насоса при заданной производительности или напоре и частоте вращения вала, отличной от номинальной частоты, ведётся на основании формул подобия:

H и Qи H и и Qи и =Q, H =, Q =, (1) Hе е е е е е где Не, Hи – напор на каталожной и искусственной Q-H характеристике насоса; Qе, Qи – расход на каталожной и искусственной Q-H характеристике насоса; е, и – номинальная и произвольная частота вращения насоса.

Здесь и далее за искусственные принимаются Q-H характеристики насоса, соответствующие скорости, отличной от номинальной частоты.

Пересчет Q-H характеристик на основании формул подобия (1) с целью определения режима работы насосного агрегата довольно трудоёмкий и, как правило, связан с многократными приближенными повторными расчетами. Автоматизация таких расчетов затруднительна, т.к. каталожная Q-H характеристика насоса не имеет аналитического описания.

С целью получения аналитических выражений каталожных и искусственных Q-H характеристик насоса и последующего применения средств вычислительной техники для упрощения расчетов предлагается провести их аппроксимацию полиномом n – го порядка.

Аппроксимация Q-H характеристик насосов. Аппроксимация Q-H характеристики насоса может быть выполнена методом канонического полинома, методом полинома Лагранжа или методом наименьших квадратов.

Аппроксимирующая (интерполяционная) функция H = f(Q) должна удовлетворять условиям Лагранжа [2]:

Pn ( xi ) = yi, (2) а при выборе в качестве аппроксимирующей функции полинома степени n в каноническом виде:

Pn(x) = an x n + an1 x n1 + … + a1 x + a0, (3)

1. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация промышленных механизмов. М.: Энергия, 1980. 360 с.

2. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на Фортране М.: Мир, 1977. 584 с.

3. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. 512 с.

D. Ishutinov, S. Oxapkin Calculation of QH pump characteristic using approximation method of least squares It shows that at designing of systems of water supply there is a necessity of account of parametres and modes of operation of pump units. Advantage of approximation Q-H-characteristics of the pump by a polynom of n th order in comparison with account on the basis of similarity formulas, since is shown. The catalogue characteristic of the pump has no analytical description.

Keywords: pumping unit, QH characteristic, formulas of similarity.

–  –  –

УДК 62-83:004 А.Н. Калмыков, канд. техн. наук, проректор, (812) 714-68-39, kan@smtu.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПбГМТУ), А.А. Сеньков, инженер, (812) 714-68-39, kan@smtu.ru (Россия, Санкт-Петербург, Центр морской техники «Рубин»)

ГРЕБНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С РАДИАЛЬНО-ОСЕВЫМ

МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ

Анализируются особенности судовых гребных электродвигателей. Приведена конструкция вентильного электродвигателя с постоянными магнитами на роторе с радиально-осевым магнитным потоком. Рассмотрена возможность применения этого вида машин в качестве гребных электродвигателей.

Ключевые слова: судовые гребные электрические установки, магнитный поток, магнитопровод статора, ротор.

За последние два десятилетия область применения судовых гребных электрических установок (ГЭУ) значительно расширилась, вследствие изменений состава и существенного повышения характеристик ГЭУ. В настоящее время ГЭУ применяются на судах практически всех видов: пассажирских, контейнеровозах, танкерах, ледоколах, рыбопромысловых судах, буксирах и т.д. Системы электродвижения обеспечивают отличные динамические качества и манёвренность судна, повышают безопасность плавания, позволяют экономить полезное пространство на судне для грузов и пассажиров, снижают потребление топлива и уровни шума и вибрации, позволяют уменьшить время простоя судна.

Характерными компонентами современных ГЭУ являются:

1) гребные электродвигатели переменного тока;

2) полупроводниковыми преобразователями большой мощности;

3) гребные установки «Азипод», либо винторулевые колонки большой мощности;

Качественные и количественные показатели ГЭУ сделали возможным создание полностью электрических судов, на которых источники электроэнергии и все потребители объединены в единую электроэнергетическую систему судна. Тепловые двигатели – дизели и турбины – используются на этих судах только в качестве первичных двигателей судовых электростанций, а все технологические операции выполняются электрическими и электромеханическими устройствами.

Основными видами гребных электродвигателей (ГЭД), применяемых в настоящее время в ГЭУ, являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, синхронные двигатели с обмоткой возбуждения на роторе и синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе. Синхронные электродвигатели в ГЭУ используются в режиме вентильного двигателя, в котором фазы машины коммутируются по сигналам датчика Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 положения ротора. Параметры ГЭД, применяемых в гребных установках «Азипод», уникальны - при мощности до нескольких десятков мегаватт частота вращения ГЭД составляет всего 50 – 200 оборотов в минуту. В электроприводах наземных технологических механизмов такое сочетание параметров практически не встречается.

Наиболее высокий к.п.д. и наименьшие массо-габаритные характеристики в ГЭУ имеют вентильные двигатели с постоянными магнитами (ВДПМ) на роторе [1, 2]. ВДПМ не имеют потерь мощности на возбуждение и могут быть выполнены с большим числом пар полюсов ротора, что позволяет снизить массу магнитопровода статора и ротора.

Особые требования к судовым ГЭД – низкая частота вращения и высокий момент на валу – заставляют специалистов искать для ВДПМ специальные электромагнитные системы. Специалисты фирмы «RollsRoyce» опубликовали информацию о создании ВДПМ с радиально-осевым магнитным потоком, называемые за рубежом TFM (Transversive Flux Motors) [3]. Опытный образец созданного двигателя TFM имеет мощность 2,5 МВт и прорабатывается вариант машины мощностью 20 МВт.

Конструкции ВДПМ с топологией TFM прорабатываются и в нашей стране [4, 5, 6]. На рис. 1 показаны элементы одной из фаз статора торцевого ВДПМ с радиально-осевым магнитным потоком.

–  –  –

Фаза статора 2 является кольцевой обмоткой, фрагмент которой показан на рис. 1. Магнитопровод статора образуют «П-образные» элементы Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода 1 и 3. «П-образные» элементы 1 охватывают кольцевую обмотку 2 со стороны наружной поверхности кольцевой обмотки, а «П-образные» элементы 3 охватывают кольцевую обмотку со стороны внутренней поверхности.

Стрелка показывает направление намагничивающей силы I·w кольцевой обмотки, где I – ток обмотки; w – число витков обмотки. В соответствии с направлением намагничивающей силы кольцевой обмотки и положением «П-образных» элементов 1 и 3 относительно обмотки 2 ближние к наблюдателю стороны «П-образных» элементов 1 будут иметь южную полярность S, а дальние стороны «П-образных» элементов 1 будут иметь северную полярность N. У «П-образных» элементов 3 ближние к наблюдателю стороны «П-образных» элементов 3 будут иметь северную полярность N, а дальние стороны - южную полярность S.

На рис. 2 показана конструктивная схема трехфазного торцевого ВДПМ с радиально-осевым магнитным потоком.

Рис. 2. Схема трехфазного торцевого ВДПМ с радиально-осевым магнитным потоком Фазы двигателя образуют три кольцевые обмотки со своими элементами магнитопровода. Обмотки фаз и элементы их магнитопровода должны быть неподвижно закреплены в корпусе электродвигателя, который на рисунке не показан. Ротор составляют четыре диска 4 из ферромагнитного материала, установленных на валу машины. На боковых поверхИзвестия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 ностях каждого диска закреплены постоянные магниты 5 с чередующейся в тангенциальном направлении полярностью. Каждая из фаз размещена между парой дисков. Постоянные магниты, обращенные к боковым поверхностям каждого из «П-образных» элементов магнитопровода, имеют различную полярность. Фазы двигателя с «П-образным» элементами магнитопровода смещены относительно друг друга на 2/3 эл. радиан.

При подаче в одну из фаз переменного тока фаза создает пульсирующий момент. Если на фазы двигателя подать симметричное трехфазное синусоидальное напряжение, то при сложении моментов, созданных фазами, возникает постоянный момент определенного направления, и двигатель будет работать, как синхронный - с плавным вращением вала. Если переключать обмотки по сигналам датчика положения ротора, то двигатель будет работать, как бесконтактный двигатель постоянного тока (вентильный).

По расчетам потери в обмотках в машинах TFM могут быть значительно меньше, чем в традиционных машинах с обмотками, расположенными в осевых пазах магнитопровода статора. Как известно, выходная мощность электрической машины пропорциональна ЭДС фазы, возникающей при вращении ротора. В [7] проведено сравнение первых гармоник ЭДС ВДПМ с цилиндрическим ротором традиционного исполнения - с осевыми пазами и двигателей TFM при одной и той же частоте вращения ротора. Сравнение проведено при условии, что у обоих видов машин одинаковы: D – диаметр расточки статора; L – длина ротора; p – число пар полюсов ротора; геометрические размеры полюсов; Ф1 – магнитный поток полюса для первой гармоники индукции в зазоре. В [7] показано, что при одной и той же мощности машины длина провода фаз при большом числе р в машинах с кольцевыми пазами значительно меньше, чем в машинах с осевыми пазами, и значит меньше будут потери в обмотках статора.

Основной причиной низких потерь в меди в машинах TFM является то, что в машинах с осевыми пазами с витками фазы связан магнитный поток Ф1 одного полюса ротора, а в машинах TFM витки фазы связаны с 1/6 суммарного магнитного потока полюсов ротора Ф1·2р/5. Аналогичное соотношение можно получить и для двигателей TFM с торцевым ротором.

При этом удельные потери в меди на единицу выходной мощности в двигателях TFM снижаются при увеличении числа пар полюсов, а топология машин TFM как раз и позволяет строить двигатели с большим числом полюсов (в двигателе «Rolls-Royce» мощностью 20 Мвт число полюсов равно 130).

Кроме того, по мнению специалистов «Rolls-Royce» [3], двигатели TFM позволяют существенно повысить индукцию магнитного поля в зазоре и плотность тока в обмотках, в результате можно существенно снизить габариты и массу машины.

Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода В то же время следует отметить, что в машинах TFM потери в магнитопроводе будут выше, чем в машинах с радиальным или осевым магнитным потоком. Конструкция машин TFM менее технологична, так как магнитопровод состоит из большого числа отдельных элементов. По этой же причине трудно обеспечить равномерный зазор между магнитопроводом статора и ротором.

Выводы

1. В машинах TFM витки фазы связаны с большим магнитным потоком, чем в машинах с радиальным или осевым магнитным потоком, что позволяет снизить длину проводников фаз и потери мощности в обмотках.

2. Конструкция машин TFM не технологична, трудно обеспечить равномерный зазор между элементами магнитопровода статора и ротором.

Список литературы

1. Hodge Cdr C. G., Mattick Cdr D. J. The Electric Warship III // Trans IMarE. 1997. Vol 110. Part 2. Рp. 119-134.

2. Электротехнические и радиоэлектронные системы дизельэлектрических подводных лодок / В.С. Соколов [и др.] СПб.: ФГУП ЦКБ МТ "Рубин", 2005. 256 с.

3. Hodge Cdr C. G., Mattick Cdr D. J. The Electric Warship V // A paper for the Institute of Marinу Engineers. 2000. Рp. 34.

4. Пат. РФ №2279174, Электрическая машина. БИ 2006, № 18.

5. Пат. РФ №2348098, Электрическая машина. БИ 2009, № 6.

6. Пат. РФ №2356158, Многослойный торцевой моментный электродвигатель. БИ 2009, №14.

7. А. П. Сеньков [и др.] Применение в судовых электроприводах вентильных электродвигателей с кольцевыми фазами / А. П. Сеньков [и др.] // Труды V международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007, 18-21 сентября 2007.

СПб, 2007. С. 394-397.

A. Kalmy'kov, A. Sen`kov Rowing electric motors with radially-axial magnetic flux The features of the propeller electrical drivers are analyzed. The construction of the electrical driver with constant magnets on a curl with a radially - axial magnetic flux ((Transversive Flux Motors)) is indicated and the possibility of the application of this kind of machines as the propeller electrical drivers is considered.

Keywords: ship rowing electric installations, the magnetic flux, magnetic stator, rotor.

Получено 06.07.10 Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2

УДК 62-83:004 А.С. Карандаев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, декан, (3519) 29-84-34, askaran@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ), В.Р. Храмшин, канд. техн. наук, доц., зам. декана, (3519) 29-84-34, hvr_mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ), И.Ю. Андрюшин, гл. инженер УГЭ (3519) 29-84-34, cetl_golovin@mmk.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»), В.В. Головин, канд. техн. наук, заслуженный энергетик РФ, нач.

Центральной электротехнической лаборатории, (3519) 29-84-34, cetl_golovin@mmk.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»), П.В. Шиляев, нач. центра ТОиР (3519) 29-84-34, cetl_golovin@mmk.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»), С.А. Петряков, асп., (3519) 29-84-34, hvr_mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ), А.А. Лукин, асп., (3519) 29-84-34, hvr_mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ)

НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ

И СИСТЕМАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Рассмотрен комплекс разработанных и внедренных в ОАО «ММК» научнотехнических решений по совершенствованию автоматизированных электроприводов и систем регулирования технологических параметров широкополосных станов горячей прокатки. Разработки направлены на повышение точности регулирования толщины и натяжения полосы, а также на уменьшения потерь электрической энергии без применения компенсирующих устройств.

Ключевые слова: точность регулирования толщины, прямое цифровое регулирование, потери электрической энергии.

Выполнен комплекс научно обоснованных, технически исполненных и внедренных разработок по совершенствованию автоматизированных электроприводов и систем регулирования технологических параметров широкополосных станов горячей прокатки, включающий:

1. Комплексную модернизацию тиристорных электроприводов (ЭП) клетей и вспомогательных механизмов, обеспечивающую:

– перевод комплектных электроприводов с аналоговыми системами управления на прямое цифровое регулирование без замены силовой части преобразователя (аналогов подобной модернизации в мировой практике не было);

– полную замену всех локальных систем автоматизации первого уровня;

– внедрение сквозного для всего стана второго уровня автоматизации и интеграцию в корпоративную систему управления производством.

Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода

2. Разработку и реализацию систем и алгоритмов управления скоростными режимами электроприводов клетей непрерывной группы клетей, обеспечивающих улучшение качества полосы за счет повышения точности регулирования натяжения и поддержания заданного температурного режима прокатки.

3. Разработку и реализацию нового принципа построения высокодинамичных систем взаимосвязанного регулирования толщины и натяжения, обеспечивающих технические возможности производства горячекатаной полосы толщиной 0,8…2 мм, являющейся конечной продукцией прокатного передела.

4. Разработку и реализацию способа автоматического управления нажимными устройствами в составе САРТ, согласно которому осуществляется разведение нажимных устройств при захвате с последующим их возвращением в заданную позицию для прокатки основного участка полосы.

5. Разработку концепции построения энергоэффективных тиристорных электроприводов и создание на ее основе систем двухзонного регулирования скорости с переключающимися структурами, обеспечивающих улучшение энергетических показателей за счет снижения потребления реактивной мощности без применения компенсирующих устройств.

Технико-экономическое обоснование реконструкции главных электроприводов широкополосного стана с заменой системы управления и сохранением силовой части Одним из направлений модернизации электрооборудования в ОАО «ММК» является замена устаревших аналоговых систем управления электроприводов постоянного тока на цифровые. Комплектные тиристорные электроприводы постоянного тока будут составлять большую часть электроприводов, использующихся в основных технологических установках еще в течение длительного времени. Авторским коллективом представленного доклада (при участии сотрудников ГОУ ВПО «МГТУ» и специалистов электрослужб ОАО «ММК») разработана идея модернизации, суть которой заключается в переводе комплектных электроприводов с аналоговыми системами управления на прямое цифровое регулирование без замены силовой части преобразователя.

Выбор такого пути реконструкции объясняется следующими причинами:

– основную долю в стоимости электропривода составляет стоимость электродвигателя и силовых полупроводниковых элементов, в то время как замена только системы управления должна дать быстрый экономический эффект за счет увеличения надежности и улучшения качества регулирования;

– основная часть двигателей постоянного тока и силовых тиристорных блоков не выработала свой ресурс и может находиться в эксплуатации.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч.

2 При технико-экономическом обосновании такого способа реконструкции электроприводов стана2000 горячей прокатки сопоставлялись три варианта:

1. Реконструкция с заменой системы управления и сохранением существующей силовой части.

2. Реконструкция с полной заменой тиристорного преобразователя (на преобразователь фирмы «Siemens»).

3. Реконструкция с заменой двигателя постоянного тока на асинхронный двигатель с управлением от преобразователя частоты (комплектный тиристорный электропривод фирмы «Siemen»s).

При оценке укрупненных капиталовложений в реконструкцию ЭП (табл. 1) учитывались: стоимость выбранного оборудования (согласно договорной цены фирмы-поставщика), стоимость инструментов и оборотных средств, транспортные расходы, дополнительные затраты на демонтаж, монтаж, техническую подготовку и наладку оборудования. В результате показано, что затраты по первому варианту в 5 раз ниже затрат по второму варианту и примерно в 20 раз ниже соответствующих затрат при третьем варианте реконструкции.

–  –  –

Выполненное технико-экономическое обоснование, а также положительный опыт модернизации главных ЭП стана 2500 горячей прокатки позволили запланировать в 20112112 гг. проведение аналогичной реконструкции на стане 2000 ОАО «ММК». В настоящее время проводятся подготовительные и проектные работы. Расчетный экономический эффект от внедрения цифровых систем управления при сохранении силовой части составляет более 33 млн. руб./год.

Обоснование промышленного внедрения разработанной системы взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины Тенденцией развития широкополосных станов горячей прокатки является переход на производство горячекатаной полосы толщиной Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода 0,8…2 мм, т.е. по геометрическим размерам приближающейся к продукции непрерывных станов холодной прокатки. Существующие локальные системы регулирования геометрических размеров, рассчитанные на прокатку более толстых полос от 2 до 10 мм, не обеспечивают выполнения технологических требований из-за влияния натяжения на толщину проката. Наиболее сильно это влияние проявляется в последних межклетевых промежутках.

Действующая система автоматического регулирования натяжения и высоты петли (САРНиП) стана 2500, как и аналогичные системы большинства отечественных станов обеспечивает заданную точность регулирования натяжения тонкой полосы лишь в установившихся технологических режимах. Значительное влияние на качество регулирования удельного натяжения в динамических режимах оказывают инерционности электромеханического петледержателя и механизмов прокатной клети. Это не позволяет эффективно использовать ресурсы быстродействующей системы автоматического регулирования толщины, выполненной на базе современных гидравлических нажимных устройств.

В результате расширения сортамента прокатываемых полос диапазон регулирования натяжения существенно изменился и находится в пределах 0,5…17 Н/мм2. Соответственно изменились и допустимые отклонения удельного натяжения, не более ±0,05 Н/мм2. Разнотолщинность полосы после установки гидравлических нажимных устройств на 10 и 11 клетях стана и включения в работу новой системы регулирования толщины на их основе не должна превышать 0,075…0,09 мм (до реконструкции разнотолщинность составляла 0,1…0,14 мм), что при прокатке полосы 1,5… 2 мм составляет 3,7…5 %. Кроме того, переход на тонкий сортамент связан с увеличением скоростей прокатки. Если при прокатке полосы толщиной 2 мм скорость на выходе чистовой группы не превышала 13 м/с, то для полос толщиной 1,5…1,8 мм она достигает 20 м/с.

С целью улучшения показателей регулирования натяжения в динамических режимах разработана САРНиП с прямым регулированием натяжения и компенсацией взаимного влияния систем регулирования положения петледержателя и натяжения с помощью перекрестных связей.

Наиболее близким известным аналогом является система фирмы «Mitsubishi», разработанная для стана «Mizushima Works» (Япония) [1].

Исследованы свойства предлагаемой САРНиП в режимах захвата полосы последующей клетью, а также в динамических режимах при изменениях скорости клетей и перемещения нажимных устройств. В табл. 2 приведены результаты оценки отклонений удельного натяжения для известной и предлагаемой систем при изменении положения петледержателя на 1° при прокатке полос различной толщины.

Во всех межклетевых промежутках отклонения удельного натяжения в предлагаемой системе практически на порядок ниже чем в сущестИзвестия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 вующей. По времени регулирования (0,45…0,5 с) предлагаемая система также оказывается более предпочтительной по сравнению с существующей (0,8…0,9 с). Аналогичные результаты получены при исследовании переходных процессов при других возмущающих воздействиях.

–  –  –

В целом, по результатам исследований доказано, что при прокатке тонких полос предлагаемая система обеспечивает выполнение требования отклонения натяжения в пределах ±10 % во всех динамических режимах, что соответствует предъявляемым требованиям. Кроме того, доказано, что в разработанной системе с перекрестными связями уменьшение момента инерции петледержателя не оказывает заметного влияния на показатели переходных процессов натяжения. Поэтому улучшение показателей регулирования обеспечивается на существующем оборудовании без замены инерционных электромеханических петледержателей. Использование петледержателей с малым моментом инерции (в том числе – гидравлических) в предлагаемой системе, в отличие от существующей, не является целесообразным.

Обоснование промышленного внедрения разработанных тиристорных электроприводов с улучшенными энергетическими показателями Большинство отечественных широкополосных станов горячей прокатки оснащено электроприводами постоянного тока с двухзонным регулированием скорости. Основная причина ухудшения их энергетических показателей вызвана потреблением реактивной мощности, связанным с фазовым регулированием выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя (ТП). Стремление улучшить энергетические показатели тиристорных ЭП без применения компенсирующих устройств привело к

Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода

разработке систем управления, позволяющих уменьшить величину требуемого запаса выпрямленной ЭДС ТП.

С целью улучшения энергетических показателей разработана концепция систем двухзонного регулирования, в основу которой положен принцип перераспределения запаса выпрямленной ЭДС ТП в установившемся и динамических режимах, вызванных изменением нагрузки ЭП. Это позволяет уменьшить величину запаса за счет более рационального его использования. В рамках названной общей концепции предложены способ и система зависимого управления потоком возбуждения в функции выпрямленной ЭДС. Разработаны способ и система двухзонного регулирования с переключением координаты, регулируемой по цепи возбуждения.

В табл. 3 представлены результаты расчета потерь электрической энергии для электроприводов клетей чистовой группы стана 2000 при внедрении разработанной системы двухзонного регулирования. Как видно из табл. 3, снижение потерь мощности и электроэнергии при прокатке полосы заданного профиля составляет не менее 7 %, годовая экономия электрической энергии от внедрения мероприятий по уменьшению потребления реактивной составляющей – 2,9 млн кВт·ч/год.

–  –  –

Для вновь проектируемых ЭП улучшение энергетических показателей при применении рассмотренной системы двухзонного регулирования обеспечивается за счет рационального выбора вторичного напряжения преобразовательного трансформатора. По сравнению с напряжением, принимаемым в известных электроприводах подобного класса, его рекомендуется снизить на 10…12 %. Это позволяет уменьшить потребление реактивной мощности на 7…10 %, т.е. практически без капитальных затрат добиться значительного снижения потерь электрической энергии. Для главных электроприводов эксплуатируемых станов практически тот же эффект может быть обеспечен за счет переключения отпаек вторичных обмоток трансформаторов.

В результате выполнения исследований, представленных в докладе, разработаны научно обоснованные принципы построения автоматизированных электроприводов, алгоритмы и системы управления широкополосных станов горячей прокатки. Суммарный экономический эффект от внедрения представленных разработок на станах 2000 и 2500 ОАО «ММК»

составляет 21,3 млн руб./год, ожидаемый расчетный экономический эффект – более 33 млн руб./год.

Внедрение результатов в листопрокатное производство расширяет возможности действующих и вновь создаваемых листопрокатных агрегатов, способствует повышению экономической эффективности производства, его ресурсо- и энергосбережению, повышению конкурентоспособности продукции.

–  –  –

1. Hamada K. Finishing mill tension control system in the Mizushima hot strip mill // Kawasaki steel technical report. 1985. №11. Р. 35–43.

A. Karandaev, V. Xramshin, I. Andryushin, V. Golovin, P. SHilyaev, S. Petryakov, A. Lukin New technical solutions in electric drives and regulating systems of technological parameters of broad-strip mills of a hot rolling The complex of the scientific and technical solutions developed and introduced in open joint-stock company "ММК" on perfection of automatic electric drives and regulating systems of technological parameters of broad-strip mills of a hot rolling is observed. Designs are directed on raise of accuracy of regulating of a thickness and strip tensioning, and also on decrease of losses of electric energy without application of compensating arrangements.

Keywords: accuracy of regulating of a thickness, direct digital regulation, losses of electric energy.

Получено 06.07.10 Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода УДК 62-83:004 В.Ф. Козаченко, д-р техн. наук, проф., ген. директор, (495) 362-71-51, KozachenkoVF@mpei.ru Н.А. Обухов, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., зам. ген. директора, (495) 362-71-51, n290746@hotbox.ru, А.А. Жарков, канд. техн. наук, ассист., (495) 362-71-51, zarckov@mail.ru (Россия, Москва, МЭИ(ТУ), «Научно-производственная фирма «ВЕКТОР»), Д.В. Ткаченко, студент, (495) 362-71-51, demozg@mail.ru (Россия, Москва, МЭИ(ТУ)), Д.И. Савкин, асп., (495) 362-71-51, savkindmi@mpei.ru (Россия, Москва, МЭИ(ТУ))

СОВРЕМЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ СЕРВОПРИВОДМАЛОЙ МОЩНОСТИ

Рассматривается структура и функциональные возможности интеллектуальной системы управления 2- и 3-фазными шаговыми и вентильными двигателями на новейшей силовой и микропроцессорной элементной базе. Унифицированная система управления поддерживает разомкнутые и замкнутые структуры управления, формирование траектории движения с ограничением скорости и рывка, ввод и исполнение технологической программы пользователя.

Ключевые слова: ось электропривода, структура управления, блок управления, унифицированные интеллектуальные модули.

1. Введение Ведущие мировые производители сервоприводов для шаговых и вентильных двигателей («Siemens», «Mitsubishi», «Hitachi», «Omron», «Аnaheim Automation», «МDrive», «EvroDrive», «АMD», «Technosoft» и т.д.) поставляют их в виде одно- и двухкоординатных интеллектуальных модулей, называемых осями электропривода. Задача автоматизации объекта, например, сборочной линии, решается установкой нужного числа осей, объединенных стандартной промышленной шиной, - MODBUS, CANopen и др. Каждая ось имеет в своем составе микропроцессорный контроллер, обеспечивающий прямое цифровое управление силовой электроникой (инвертором), а также прямой интерфейс с датчиками обратной связи. Большинство вентильных двигателей, используемых в сервоприводах, комплектуется встроенными в двигатель датчиками положения (оптическими «квадратурными» или на элементах Холла). Поддерживается несколько структур управления - от простейшей разомкнутой с приемом команд в унитарном коде до замкнутой с векторным управлением скоростью и моментом. В последнем случае задание на перемещение отрабатывается с использованием встроенного в контроллер генератора траектории.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 Блок управления снабжается некоторым количеством дополнительных дискретных входов/выходов для приема сигналов с датчиков конечного положения, технологических датчиков и управления вспомогательными устройствами. Предлагается также дополнительный сервис – возможность ввода в ОЗУ системы управления технологической программы на специализированном языке и ее отработки в автоматическом режиме. Обеспечиваются все условия для создания автономно работающих «островков автоматизации», например, узлов конвейерной или сборочной линии, где в полной мере реализуется концепция распределенного управления. При этом связи между отдельными узлами могут быть «слабыми», а в качестве системы верхнего уровня управления не требуется применение высокопроизводительного компьютера, работающего в реальном времени.

К сожалению, отечественная электротехническая промышленность не выпускает аналогичного комплектного оборудования. Большей частью производятся «голые» исполнительные двигатели и задача сопряжения с датчиками и разработки блока управления ложится на конечного пользователя. Уже давно назрела задача создания отечественного интеллектуального сервопривода малой мощности с развитыми функциями управления и современными интерфейсами. Она особенно актуальна в рамках современной стратегии развития России, связанной с внедрением в производство передовых технологий, импортозамещением, энерго- и ресурсосбережением, развитием средств комплексной автоматизации производства.

В докладе описывается опыт разработки отечественного интеллектуального сервопривода малой мощности (до 0,5 кВт), не уступающего по своим функциональным возможностям западным разработкам.

2. Применение интеллектуальных силовых модулей нового поколения и специализированных высокопроизводительных микроконтроллеров Важнейшей тенденцией развития современной силовой электроники является создание унифицированных интеллектуальных модулей с интеграцией в одном устройстве силовых ключей, драйверов, схем защиты и средств сопряжения с управляющими микроконтроллерами. Ранее для напряжений питания до 60 В, характерных в шаговом и вентильном электроприводе малой мощности (до 300 Вт), ведущие фирмы пытались разместить на одном кристалле стандартную многофазную силовую часть (например, на базе реверсивных мостовых схем) и достаточно сложную часть системы управления, аппаратно реализующую такие функции, как регулирование тока (с несущей частотой от нескольких кГц и выше), распределение импульсов, микрошаговое управление и др. Сейчас подход существенно изменился – силовая часть делается унифицированной, интеллектуальной, программно конфигурируемой через развитый интерфейс со специализированными микроконтроллерами, имеющими встроенные функции прямого цифрового управления силовыми ключами в режиме ШИМ и прямого цифрового сопряжения с датчиками положения. Это поНовые программные и технические средства автоматизированного электропривода зволяет, с одной стороны, программно перенастроить силовую часть для работы с двигателями различных типов и фазности, а с другой – снять ограничения на структуру собственно системы управления и ее функциональные возможности. Появляется реальная возможность создания интеллектуального привода нового поколения, адаптируемого к типу двигателя и прикладной задаче пользователя.

В современных силовых модулях на базе MOSFET-транзисторов достигнуты рекордные частоты переключения - сотни килогерц и малые сопротивления проводимости RDSon - менее 0,3 Ом. Лидирующие позиции на рынке маломощных интеллектуальных драйверов имеет фирма «Texas Instruments», которая смогла в своих силовых микросхемах DRV8402 понизить сопротивление проводимости силовых ключей до 0,08 Ом и поднять частоту переключения до 500 кГц. Эти показатели достигнуты при номинальном токе 5 А и пиковом - 12 А. В состав силового модуля входят 4 независимых полумоста, допускающих как независимую работу, так и работу в составе 2-фазных или 3-фазных мостов, что обеспечивает подключение практически любого двигателя, начиная от коллекторной машины постоянного тока до 2-х или 3-х фазных вентильных двигателей со встроенными датчиками положения. Поддерживается параллельная работа нескольких стоек инвертора для увеличения токовой нагрузки.

Наличие встроенных защит силовых ключей от короткого замыкания, максимального и сквозного тока, от снижения напряжения питания, двухуровневой температурной защиты делает силовую часть привода полностью самозащищенной. Информация обо всех видах аварий в силовом блоке выдается по цифровому интерфейсу. Уникальная функция аппаратной компенсации «мертвого времени» обеспечивает линейную передаточную характеристику инвертора во всем диапазоне изменения скважностей ШИМ-сигналов управления ключами.

Таким образом, новая силовая элементная база максимально адаптирована для прямого подключения к специализированным микроконтроллерам типа Motor Control, имеющим унифицированные многоканальные ШИМ-генераторы. Так как процессоры типа Motor Control имеют прямой цифровой интерфейс с большинством датчиков положения ротора двигателя («квадратурными» оптическими, на элементах Холла и т.д.), а также высокую производительность, то исключительно на программном уровне решаются и все остальные задачи сервопривода: векторное управление моментом и скоростью машины; планирование и воспроизведение траектории движения. Именно такой подход выбран авторами при создании отечественного интеллектуального сервопривода малой мощности.

3. Структура и функциональные возможности интеллектуального сервопривода На рис. 1 представлена структура разработанного в МЭИ в содружестве с «НПО ПМ Развитие» (г. Железногорск) сервопривода для управИзвестия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 ления широким классом двигателей малой мощности: 2- и 3-фазными шаговыми магнитоэлектрическими, индукторными и реактивными двигателями; вентильными двигателями со встроенными датчиками положения ротора (на элементах Холла или с «квадратурными выходами»). Блок обеспечивает также управление обычными коллекторными машинами постоянного тока и специализированными 6-и фазными двигателями с расщепленными обмотками. Он уже используется при испытаниях широкой номенклатуры новых двигателей, разрабатываемых для отечественной космической промышленности.

Блок состоит из 3 модулей: контроллера, силового модуля, модуля расширения. Модуль контроллера конструктивно объединен в одну «материнскую плату» с модулем вторичных источников питания. К материнской плате подключена через соответствующие разъемы плата силового модуля и плата расширения.

Рис. 1. Функциональная схема интеллектуального сервопривода

Модуль контроллера имеет вычислительное ядро с производительностью – до 150 млн операций в секунду при работе в режиме с фиксированной точкой и до 300 млн операций в сек. при параллельной работе модулей с фиксированной и плавающей точкой, что достигается применением в качестве центрального процессора мощного специализированного сигнального микроконтроллера типа Motor Control TMS320F28335 Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода фирмы «TI» с уникальным набором встроенных периферийных устройств.

Микроконтроллер обеспечивает оптимальный интерфейс с силовыми ключами, поддерживая режимы синусоидальной векторной широтноимпульсной модуляции для мостовых инверторов, а также прямой цифровой интерфейс с датчиками положения - импульсными и датчиками на элементах Холла. Высокая производительность процессора позволила реализовать полноценные системы векторного управления двигателями нескольких типов, а также генераторы траектории движения. Алгоритмическое и программное обеспечение блока содержит широкий набор функций управления разомкнутыми шаговыми электроприводами: многорежимные распределители импульсов с поддержкой одиночной, парной и несимметричной коммутации; модули микрошагового управления с возможностью дробления шага с коэффициентом дробления от 1 до 128.

Для связи с персональным компьютером могут использоваться 2 промышленных гальванически развязанных интерфейса связи: CANинтерфейс с протоколом обмена верхнего уровня CANopen и RS-485 с протоколом обмена верхнего уровня MODBUS RTU. Поддерживается также интерфейс с датчиками положения ротора двигателя и дискретными входами/выходами, предназначенными для управления вспомогательной автоматикой. Имеется дополнительный стандартный канал управления шаговыми приводами от систем ЧПУ унитарным кодом.

Силовой модуль реализован на базе силовой микросхемы DRV8402 и содержит дополнительные схемы питания драйверов ключей инвертора.

Для создания качественных контуров тока в режимах прямого управления моментом вентильных двигателей и обеспечения высокого коэффициента дробления шага для шаговых двигателей использованы высокоточные бесконтактные датчики тока (точность 0,5 %) с максимальной частотой входного сигнала до 150 кГц.

Внешний вид блока управления серводвигателями со съемным защитным кожухом представлен на рис. 2.

Программное обеспечение блока управления имеет два уровня:

нижний, уровень центрального процессора сервопривода и верхний - уровень персонального компьютера, обеспечивающий параметрирование блока, управление в реальном времени и мониторинг динамических процессов в реальном времени.

На нижнем уровне выполняется выбор типа исполнительного двигателя и одной из структур управления, реализуются алгоритмы векторного управления и формирования траектории позиционирования. Поддерживается автоматическое определение параметров машины для автонастройки контуров тока.

–  –  –

Рис. 2. Интеллектуальный модуль управления серводвигателями Верхний уровень реализован в виде программы «UniCON». Связь с компьютером возможна по 2-м каналам CAN или RS-495. Программа выполняет несколько функций: является визуальной оболочкой для удобной работы с блоком управления, содержит в себе функции создания технологических программ планировки перемещений и управления сопутствующей дискретной автоматикой. Взаимодействие компьютера и блока управления производится в реальном времени, что позволяет оперативно просматривать и модифицировать любой параметр/уставку системы управления, а также осциллографировать наблюдаемые переменные. Для удобства пользователя имеются функции посылки команд оперативного управления двигателем: запуск в выбранном режиме работы; остановка;

смена режима работы «на лету» без предварительного переконфигурирования системы управления и др.

Функция подготовки технологических программ интегрирована в «UniCON». После написания программы она компилируется в виде исполнительного кода, загружается в ОЗУ контроллера, где и выполняется.

4. Пример использования Разработанные сервопривода применены для создания автоматизированного тестового оборудования аттестации шаговых двигателей специального назначения. Осциллограмма отработки приводом программнозаданного положения на сверхнизкой скорости для получения графика статической ошибки на полюсном делении машины показана на рис. 3.

Благодаря уникальному по своим характеристикам инвертору обеспечены диапазон регулирования момента не менее 100:1, точность поддержания задания скорости не хуже 0,0001 %, диапазон регулирования величины шага 128:1. На осциллограмме (рис.3), полученной в среде «UniCON», показан опыт по определению статической ошибки воспроизведения заданного положения на нескольких полюсных делениях машины в режиме глубокого дробления шага (при частотно-токовом управлении), где масштаб переменных: программно заданный электрический угол и фактический угол: 200 эл.град/Кл, рассогласование (динамическая ошибка): 10 эл. град/Кл; фазный ток 4 А/Кл; ось времени: 23 с/Кл.

–  –  –

1. Козаченко В. Новые возможности семейства специализированных микроконтроллеров TMS320F2833x // Новости электроники.

2008. №14.

2. Texas Instruments. DRV8402 Dual Full Bridge PWM Motor Driver.

SLES222–December 2008.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 V. Kozachenko, N. Obuxov, A. Zharkov, D. Tkachenko, D. Savkin The modern intellectual servo-driver of low power The structure and the functional overview of an intelligence motor control system for two and three phase step and synchronous motors using the up-to-date power and microprocessor component base are considered. The unified motor control system supports the openloop and closed-loop systems as well as generation of the motion path with speed limitation and jerks, the input and implementation of user’s technological program.

Keywords: electric drive axis, control structure, the control block, the unified intellectual modules.

–  –  –

УДК 62-83:004 А.Е. Козярук, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (812) 328-84-69, kozyaruk@mail.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПГГИ(ТУ))

СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ

Рассмотрены структуры и алгоритмы управления электроприводами с полупроводниковыми коммутаторами на полностью управляемых ключах. Приведены реализованные технические решения для экскаваторного электропривода.

Ключевые слова: силовой полупроводниковый преобразователь, система «прямого управления моментом», полупроводниковый коммутатор.

Процесс создания и развития высокоэффективных регулируемых электромеханических комплексов различного технологического назначения обусловил развитие теории и практическую реализацию силовых полупроводниковых устройств, как отдельного класса электротехнического оборудования (устройств силовой электроники). При разработке теории полупроводниковых преобразователей чаще всего использовались упрощенные представления источников питания, преобразовательного устройства, нагрузки, что привело к широкому распространению и использованию таких терминов как «вентильный преобразователь», «инвертор тока», «инвертор напряжения», «непосредственный преобразователь» и др.

В действительности, силовой полупроводниковый преобразователь представляет собой коммутатор, соединяющий по определенному алгоритму входные и выходные цепи электротехнического устройства. На современном этапе силовые преобразователи строятся на основе полностью управляемых ключей, а управление ключами осуществляется по алгоритму, реализуемому управляющим микропроцессорным устройством с обеспечением требуемого критерия качества и оптимальности.

Такие структуры и алгоритмы использовались автором при разработке полных математических моделей электромеханических систем с поНовые программные и технические средства автоматизированного электропривода лупроводниковыми преобразователями и получили развитие в работах по структуре и алгоритмам управления коммутаторами типа активных выпрямителей и инверторов с ШИМ.

Новые структуры и принципы управления силовыми коммутаторами вызвали необходимость разработки и реализации табличных алгоритмов определения моментов включения ключей коммутатора для обеспечения выбранного способа и закона управления выходными координатами электропривода. Наибольшее развитие теории и практики управления полупроводниковыми коммутаторами в электроприводах переменного тока можно отметить в системах «прямого управления моментом» (ДТС) [1] и в системах управления с использованием алгоритмов нечеткой логики [2].

С учетом требований по качеству электроэнергии и эффективности электроприводов, наилучшей структурой современного привода является структура, содержащая полупроводниковый коммутатор типа «активного выпрямителя» (AFE) и полупроводниковый коммутатор двигателя с реализацией алгоритма прямого управления моментом (ДТС) (рис. 1).

Рис. 1. ДС – датчики сети; Д1, Д2 – датчики электропривода;

СЛУ – система логического управления Структуры электропривода с активными выпрямителями обладают рядом свойств, обуславливающих их перспективное применение в энергосберегающих электроприводах переменного тока:

– двусторонний обмен энергией с питающей сетью;

– практически синусоидальный сетевой ток в режимах потребления и рекуперации энергии;

– возможность регулирования не только коэффициента нелинейных искажений сетевого тока, но и коэффициента мощности.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 Имеются результаты исследования режимов работы электропривода переменного тока для карьерных экскаваторов. По этим данным при использовании преобразователей частоты с активным выпрямителем в приводе экскаваторов при общей мощности в сети ~3500 кВА коэффициент мощности составляет 0,98…1,00, коэффициент нелинейных искажений сетевого тока - ~3,5 %, снижение напряжения в узле распределительной сети карьера при пиковой нагрузке и cos=1 в режиме рекуперации – 0,18 %.

Приведенные данные, опыт использования преобразователей частоты с активным выпрямителем фирмами «АВВ» и «Siemens», приобретаемый отечественный опыт [3] подтверждают необходимость и целесообразность использования для перспективных систем электропривода структур с такого типа коммутаторами.

Активный выпрямитель вместе с технологией ДТС соответствует жестким требованиям, предъявляемым к электроприводу специальных механизмов:

– устойчивая работа при изменениях напряжения сети за счет стабилизации напряжения звена постоянного тока;

– низкие сетевые гармоники;

– быстрая реакция при переходе из двигательного режима в режим рекуперативного торможения и наоборот;

– экономия энергии при рекуперативном торможении.

В соответствии с вышеизложенным можно сформулировать следующие основные положения, определяющие идеологию построения схемы электропривода, например, экскаватора:

– асинхронный двигатель может быть выполнен на любые значения мощностей, частот вращения и условий эксплуатации механизмов. Если не ставится задача оптимизации электромеханической части электропривода, при переходе на переменный ток никаких специальных доработок по механической части (редуктор, передачи и пр.) не требуется;

– в схеме используется коммутатор типа активного выпрямителя.

Задача регулирования электрических показателей и электромагнитной совместимости решается за счет САУ и алгоритма управления коммутатором. Специальных фильтрокомпенсирующих устройств не требуется;

– структура электропривода обеспечивает рекуперацию энергии в сеть, поэтому установка резисторов для обеспечения динамического торможения не является обязательной;

– система электропривода может быть построена с питанием коммутаторов двигателя от общей шины постоянного тока с регулированием энергетических показателей общим активным выпрямителем.

При разработке алгоритмов управления коммутаторами используются «табличные логические алгоритмы». В части реализации системы управления (ДТС) асинхронным электроприводом примеры реализации алгоритмов управления приведены в [1]. В качестве иллюстрации на рис. 2 Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода приведена функциональная схема системы прямого управления моментом асинхронным электроприводом, с использованием «табличных алгоритмов».

<

–  –  –

Как наиболее современное решение по созданию электропривода переменного тока с полупроводниковыми коммутаторами типа «активный выпрямитель» и «инвертор с ДТС» можно представить созданный АО «Силовые машины» - филиалом «Электросила» электропривод экскаватора ЭКГ-35 с объемом ковша 35 м3.

Структура электропривода содержит единый источник постоянного тока типа «активный выпрямитель» и коммутаторы типа «инвертор» для питания асинхронных двигателей (два двигателя подъема АДРЭ-С 850-6;

двигатель напора АДРЭ-С 400-6; два двигателя поворота АДРВЭ-С 450-6;

два двигателя хода АДРЭ/400-6) [3].

Всесторонние комплектные испытания электропривода на стенде завода-изготовителя показали правильность и эффективность технических решений. В реализованном приводе использованы алгоритмы классического векторного управления. В перспективе целесообразно использование принципа мультиструктурного управления с обеспечением в режиме поддержания момента алгоритмов ДТС.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2

Список литературы

1. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Прямое управление моментом в электроприводе переменного тока машин и механизмов горного производства. СПб: СПГГИ(ТУ), 2008., 100 с.

2. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов. СПб:

СПБЭК, 2004, 130 с.

3. Комплекты электрооборудования постоянного и переменного тока для карьерных экскаваторов ЭШ «Уралмаш», ЭКГ «Ижора - КАРТКС».

СПб: Силовые машины, 2009.

A. Kozyaruk Structures and algorithms of electric drives control with semi-conductor switchboards Structures and algorithms of electric drives control with semi-conductor switchboards on completely operated keys are considered. The realised technical decisions for the excavators electric drive are resulted.

Keywords: power semiconductor converter, system of direct torque control, semiconductor switchboard.

Получено 06.07.10

УДК 62-83:004 А.А. Ткачук, канд. техн. наук, гл. конструктор по энергосберегающей технике, (343) 360-05-01, tkachuk@asc-ural.ru (Россия, Екатеринбург, ЗАО «АСК»), В.К. Кривовяз, канд. техн. наук, технический директор, (343) 341-37-05, tkachuk@asc-ural.ru (Россия, Екатеринбург, ЗАО «АСК»)

СЕРИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ДЛЯ ПЛАВНОГО ПУСКА МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Приводится опыт применения высоковольтных тиристорных преобразователей, разработанных и серийно изготавливаемых ЗАО «АСК», которые используются для плавного пуска асинхронных и синхронных электроприводов напряжением 3, 6 и 10 кВ и мощностью до 3,2 МВт.

Ключевые слова: высоковольтные тиристорные преобразователи, плавный пуск двигателя.

Тиристорные высоковольтные преобразователи напряжения (ТПН) всё более широко применяются в качестве устройств плавного пуска высоковольтных асинхронных и синхронных двигателей с номинальным напряжением 3, 6 и 10 кВ. Высокие технико-экономические показатели поНовые программные и технические средства автоматизированного электропривода лучают при плавном пуске индивидуального электропривода для механизмов центробежного принципа действия: насосов, вентиляторов, компрессоров.

Показатели экономической эффективности, при сохранении всех положительных характеристик индивидуального электропривода (ЭП), повышаются при использовании тиристорного преобразователя напряжения для плавного пуска группы высоковольтных двигателей центробежных механизмов (ЦМ). В этом случае достаточно одного ТПН для поочерёдного плавного пуска всех двигателей группы электроприводов центробежных механизмов [1-6]. Тиристорный преобразователь напряжения управляет основным потоком электрической энергии, которая поступает от источника питания силовых цепей к электродвигателю через мощные тиристорные ключи. В ЗАО «АСК» накоплен значительный опыт в разработке, производстве и применении высоковольтной системы на базе преобразователей типа ПАД-В-Г и ПСД-В-Г, используемых для плавного пуска группы высоковольтных асинхронных и синхронных двигателей соответственно, и комплектных преобразователей типа ПАД-В-К, используемых для плавного пуска, защиты и управления индивидуальным асинхронным электроприводом.

Обзор литературы и энергетическое обследование ряда предприятий позволил обосновать перечень параметров приводных высоковольтных двигателей для номинальных линейных напряжений 3, 6 и 10 кВ. Разработана шкала типоразмеров серийно изготавливаемых групповых преобразователей типа ПАД-В-Г и ПСД-В-Г (табл.1) и комплектных преобразователей типа ПАД-В-К (табл. 2).

В результате применения системы плавного пуска существенно уменьшается пусковой ток двигателя, его величина ограничивается на уровне 1-4 номинальных токов статора двигателя; значительно снижаются динамические перегрузки в кинематических звеньях механических передач; уменьшаются электромагнитные усилия в обмотках статора двигателя и, как следствие, повышается срок службы статора; исключаются гидравлические и пневматические удары в ЦМ и магистрали за счёт исключения резкого изменения давления (напора); улучшаются условия эксплуатации сопутствующего электротехнического оборудования: коммутационных аппаратов, трансформатора, кабельных линий и т.д.; уменьшаются посадки напряжения в сети при пуске двигателей; применение плавного пуска приводит к увеличению срока службы ЦМ.

Помимо обеспечения плавного пуска, преобразователи обладают рядом дополнительных возможностей: автоматическое управление внешней коммутационной аппаратурой; измерение напряжения, тока, мощности и энергии электродвигателя; автоматическое форсирование напряжения (тока) при несостоявшемся запуске ЭП; имеет защитную блокировку от подачи высокого напряжения на ТПН при ошибочных действиях обслужиИзвестия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 вающего персонала; имеет обширный набор параметров, которые дают возможность конфигурирования для широких областей применения; имеет изолированные дискретные и аналоговые входы и выходы; выдаёт подробную информацию о состоянии электропривода на дисплей; имеет встроенный модуль передачи данных по шине PROFIBUS; имеет энергонезависимые часы реального времени и календарь для протоколирования ошибочных ситуаций.

–  –  –

Типовая схема электроснабжения высоковольтных асинхронных электроприводов центробежных механизмов с системой группового плавного пуска на базе высоковольтного ТПН типа ПАД-В-Г приведена на рис.1 [3,4]. На рис. 2 приведена схема электроснабжения комплектных преобразователей типа ПАД-В-К для двух вариантов исполнений: с индивидуальным или групповым питанием. Секции 1 и 2 системы электроснабжения получают питание от двух независимых вводов через высоковольтные коммутирующие ячейки с выключателями QF5 и QF6 соответственно. В качестве примера взяты четыре асинхронных двигателя М1-М4 по два на секцию, которые запитаны от рабочих ячеек с выключателями QF1-QF4.

Для реализации группового плавного пуска всех двигателей схема содержит следующее оборудование: две головные рабочие ячейки с выключателями QF8 и QF9 и системой защиты, подключенные к первой и второй секциям соответственно; тиристорный преобразователь напряжения ТПН с соответствующими токами и напряжением типа ПАД-В-Г (см.

табл. 1); микроконтроллерная система управления МПСУ с блоками управления БУ высоковольтными выключателями QF1 – QF9 и контакторами KM1 – KM4; четыре ячейки выбора двигателя ЯВД1 – ЯВД4 с вакуумными контакторами KM1 – KM4; контроллер верхнего уровня КВУ для автоматизации пуска асинхронного электропривода центробежных механизмов.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 Рис. 1. Электрическая схема автоматизированного плавного пуска группы высоковольтных АЭП центробежных механизмов Рис. 2. Электрическая схема автоматизированного плавного пуска индивидуальных высоковольтных АЭП центробежных механизмов Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода Схема работает следующим образом. Допустим, требуется запустить двигатель М1. Из котроллера верхнего уровня поступают сигнал управления. При этом собираются цепи управления и контроля участвующие в запуске двигателя М1: головной выключатель QF8; контактор КМ1 в ячейке ЯВД1 и цепи технологических защит М1. Система управления преобразователя выдаёт управляющие импульсы на ТПН и двигатель М1 плавно разгоняется в соответствии с заданным алгоритмом формирования пусковой траектории тока или напряжения статора. При достижении напряжения на статоре М1 равного напряжению на первой секции система управления выполняет следующие команды: включает рабочий выключатель QF1 и тем самым шунтирует тиристоры преобразователя;

снимает управляющие импульсы с тиристоров; выключает пусковой контактор КМ1 в ЯВД1 и головной выключатель QF8. Преобразователь ПАДВ-Г, головные выключатели и пусковые контакторы полностью отключены, а двигатель М1 запитан от штатной ячейки с выключателем QF1.

Аналогично контроллер верхнего уровня выполняет запуск следующего электродвигателя. Например, требуется запустить М3. Тогда силовая схема будет собрана по цепи: головной выключатель QF9 и контактор ЯВД3. Алгоритм пуска повторяется. Таким образом, осуществляется независимое управление двигателями от разных секций шин. Отключение двигателя осуществляется по обычной схеме, путём отключения рабочих выключателей в соответствующих ячейках.

Конструктивно преобразователи типа ПАД-В-К выполняются в одном шкафу и содержат все необходимые элементы защиты, коммутации и управления. На рис. 3 показан внешний вид комплектного преобразователя типа ПАД-В-К-100-6к-1 используемый для плавного пуска одного асинхронного электропривода мощностью 1 МВт.

Рис. 3. ПАД-В-К-100-6к-1 Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2

Преобразователи типа ПАД-В-Г и ПСД-В-Г в зависимости от напряжения и мощности выполняются в одном или нескольких шкафах.

Применяется естественное охлаждение тиристоров, что увеличивает надёжность преобразователя при эксплуатации в запылённых и влажных средах.

В настоящее время на предприятиях России и за рубежом ЗАО «АСК» реализовано несколько проектов системы группового и индивидуального плавного пуска электродвигателей с использованием ТПН на напряжение сети 3, 6 и 10 кВ и мощностью двигателя от 0,25 до 3,2 МВт [5,6]. Системы в полной мере соответствует предъявляемым требованиям, и положительно зарекомендовали себя в эксплуатации.

Список литературы

1. Тиристорный преобразователь для плавного пуска высоковольтных асинхронных двигателей / А.А. Ткачук [и др.] // Силовая электроника. 2007. № 1.

2. Высоковольтный тиристорный преобразователь напряжения для плавного пуска электродвигателя переменного тока / А.А. Ткачук [и др.] // Cб. трудов Международной 14-й НТК «Электроприводы переменного тока». Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2007.

3. Плавный пуск группы высоковольтных асинхронных электроприводов центробежных механизмов / А.А. Ткачук [и др.] // Силовая электроника. 2008. № 2.

4. Ткачук А.А., Копырин В.С. Групповой плавный пуск высоковольтных синхронных электроприводов компрессорных станций // Электротехнический рынок. 2007, № 12.

5. Плавный пуск группы высоковольтных синхронных электроприводов центробежных механизмов / А.А. Ткачук [и др.] // Силовая электроника. 2008. № 3.

6. Ткачук А.А., Кривовяз В.К. Плавный пуск группы высоковольтных асинхронных электроприводов центробежных механизмов // Насосы&оборудование. 2009. № 2(55).

A. Tkachuk, V. Krivovyaz A series of high-voltage converters for smooth starting of powerful electric drives The report includes description of practical application of high-voltage thyristor converters, developed and put into series production by CJSC “ASC”. They are used for soft start of synchronous and asynchronous electric drives with voltage of 3, 6 and 10 kV and power up to 3,2 MW.

Keywords: high-voltage thyristor converters, smooth starting of engine.

–  –  –

Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода УДК 62-83:004 П.А. Борисов, канд. техн. наук, доц., (812) 233-83-36, borisov@ets.ifmo.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПб ГУ ИТМО), Н.А. Поляков, студент, (812) 233-83-36, tacitus666@mail.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПб ГУ ИТМО), А.А. Киреев, студент, (812) 233-83-36, aakireev88@mail.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПб ГУ ИТМО)

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРЁХФАЗНЫМ

АКТИВНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ КООРДИНАТ

Рассмотрена реализация способа управления трехфазным АВН по проекциям обобщенного вектора сетевого тока с преобразованием координат. Проведено моделирование в среде MATLAB/Simulink подчиненной системы регулирования АВН в режимах потребления энергии и рекуперации ее в первичную сеть с управлением на основе предложенного способа, подтвердившее его работоспособность.

Ключевые слова: трехфазный АВН, модель в среде MATLAB/Simulink, электромагнитные процессы.

В настоящее время в связи с повсеместным распространением преобразовательной техники, ростом единичных мощностей преобразователей и повышением в целом доли нелинейной нагрузки проблемы обеспечения качества электроэнергии и энергосбережения стали приобретать значение приоритетных, требующих первоочередного решения. Применение активных преобразователей на полностью управляемых полупроводниковых ключах на сегодняшний день является оправданным решением для систем регулируемого электропривода с точки зрения улучшения электромагнитной совместимости и экономичности использования электроэнергии.

Активный выпрямитель напряжения (АВН) представляет собой автономный инвертор напряжения, выполненный на силовых ключах с обратными диодами и обращенный на сторону сети переменного тока. В режиме рекуперации энергия возвращается в сеть через инвертор рекуперации.

Неуправляемый выпрямитель (НУВ) структурно входит в состав АВН и выпрямление осуществляется через обратные диоды. В принципе работы АВН заложен импульсный повышающий напряжение регулятор, поэтому он обязательно содержит в своем составе токоограничивающий дроссель, устанавливаемый на стороне переменного тока. Для обмена реактивной мощностью, включающей мощность высших гармоник, между первичной сетью и АВН используется конденсатор силового фильтра (СФ) звена постоянного тока (ЗПТ).

Для описания электромагнитных процессов в системах переменного тока используются следующие системы координат:

- неподвижная ортогональная система координат ; - вращающаяся с произвольной угловой скоИзвестия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 ростью k ортогональная система координат ху. В неподвижной системе координат вектор тока может быть представлен в комплексной и показательной формах:

i Н = i + j i = I m e^ j, (1) Аналогично во вращающейся системе координат тот же вектор может быть представлен в виде:

i Вр = i X + j iY = I m e^ j ( k t ) = i Н e^ ( jk t ), (2) Из (1) и (2) можно получить уравнения для перехода от неподвижной системы координат к вращающейся и обратно (преобразования ПаркаГорева).

Если принять, что Ix и Iy – соответственно активная и реактивная составляющие обобщенного вектора сетевого тока и система синхронизирована относительно синусоиды ЭДС фазы А, то получим систему уравнений:

i = i X sin(k t ) + iY cos(k t ), (3) i = i X cos(k t ) + iY sin(k t ), (4) Преобразование двухфазной неподвижной системы координат к трехфазной в этом случае осуществляется в соответствии с выражениями (преобразования Кларка):

i A = i, i B = (1 / 2)i + ( 3 / 2)i, iC = (1 / 2)i ( 3 / 2)i (5) С помощью преобразования координат появляется возможность управлять АВН раздельно по проекциям Ix и Iy обобщенного вектора сетевого тока (рис. 1). Положительным значениям Ix соответствует режим потребления энергии из первичной сети, отрицательным – режим рекуперации. Таким образом, переход от двигательного режима в генераторный и обратно осуществляется в такой системе автоматически.

Рис. 1. Система с раздельным управлением по проекциям обобщенного вектора сетевого тока АВН Схема блока XY ABC, осуществляющего преобразование проекций Ix и Iy обобщенного вектора сетевого тока из вращающейся системы координат к трехфазной системе токов Ia, Ib, Ic в соответствии с формулами (3) – (5), представлена на рис. 2. Блок релейных регуляторов (рис. 1) включает три канала, реализующих “токовый коридор” для обеспечения гармонической формы сетевых токов (рис. 3).

Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода

Рис. 2. Блок преобразования координат

Двухконтурная система подчиненного регулирования АВН с раздельным управлением по проекциям обобщенного вектора сетевого тока (внутренний контур тока) и внешним контуром стабилизации напряжения конденсатора СФ ЗПТ представлена на рис. 4. Помимо вышеперечисленных блоков, в систему входят пропорциональный регулятор (П-регулятор) контура стабилизации напряжения Uc конденсатора СФ ЗПТ и блок токоограничения. Блок токоограничения является обязательным элементом системы регулирования АВН, позволяя ограничить электромагнитные нагрузки на элементы АВН на заданном уровне.

–  –  –

Рис. 4. Двухконтурная система подчиненного регулирования АВН Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 Модель АВН с двухконтурной системой подчиненного регулирования, реализованная в пакете MATLAB\Simulink, приведена на рис. 5. В целях избежания существенного завышения установленных мощностей оборудования АВН, его регулирование следует начинать после окончания переходного процесса вызванного включением в питающую сеть. При пуске ток заряда конденсатора СФ протекает через НУВ, структурно входящий в схему АВН, в результате при пуске наблюдаются процессы как в традиционных выпрямителях [1]. В модели (рис. 5) на стороне переменного тока установлен блок пусковых резисторов, который предназначен для ограничения тока заряда конденсатора СФ. Спустя заданное время после момента включения в питающую сеть пусковые резисторы автоматически шунтируются контактором или реле и потерь мощности при дальнейшей работе АВН в них нет.

Рис. 5. Модель АВН с двухконтурной системой подчиненного регулирования Результаты моделирования электромагнитных процессов в АВН представлены на рис. 6, где ua, ia, ub, ib, uc, ic – сетевые фазные напряжения и токи, id – ток в нагрузке. Параметры моделирования: частота сетевого напряжения fs = 50 Гц, Uл = 380 В, внутреннее сопротивление фазы сети R =

0.1 Ом; сопротивление пусковых резисторов Rп = 5 Ом; индуктивность и активное сопротивление фазы токоограничивающего сетевого реактора Lр = 5 мГн, Rр = 0.4 Ом; активное сопротивление и индуктивность нагрузки Rd = 20 Ом, Ld = 50 мГн, противоЭДС нагрузки E = 1000 В (в режиме рекупераНовые программные и технические средства автоматизированного электропривода ции); емкость конденсатора СФ Cf = 2 мФ; напряжение стабилизации Uc = 600 В. Уровень ограничения амплитуды сетевого тока 50 А (в режиме потребления мощности), -50 А (в режиме рекуперации). Коэффициент Прегулятора Kп = 3 выбирался по результатам моделирования, по параметрам автоколебаний возникающих в замкнутой системе (метод Циглера Николса).

Рис. 6. Результаты моделирования электромагнитных процессов в АВН: (ua/4,ia); (ub/4, ib); (uc/4, ic); Uc; id (сверху – вниз) При моделировании в момент времени t = 0.06 c в блоке “3-Phase Breaker” шунтируются пусковые резисторы. АВН вступает в работу в момент t = 0.12 c, при этом ЭДС нагрузки равно нулю. АВН переходит из режима потребления энергии в режим рекуперации при t = 0.18 c, когда с блока “Repeating Sequence” подается противоЭДС нагрузки равное 1000 В. АВН возвращается в режим потребления энергии из первичной сети в момент t =

0.24 cек, когда ЭДС нагрузки становится равным нулю.

Модель (см. рис. 5) содержит блоки измерения полной мощности S и ее составляющих: P – активной, Q – реактивной, Т – искажения, H – несимметрии, мощностей трехфазных трехпроводных несимметричных энергоподсистем, а также блок вычисления показателей качества энергопотребления [2, 3]. В результате моделирования для режима потребления энергии из сети получены следующие величины: S = 18 786 ВА, P = 18 784 Вт, Q = -13 ВАр, Т = 222 ВА, H = 25 ВА, при этом К мощности = P / S, K сдвига = P / P 2 + Q 2, Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 K искажения = P 2 + Q 2 / P 2 + Q 2 + T 2, K несимметрии = ( P 2 + Q 2 + T 2 ) / S 1, K гармоник = T / P 2 + Q 2 равны (THD) составил 0.012 (1.2 %), КПД = Pd / P порядка 0.916 (определяется потерями в сетевом реакторе).

Таким образом, преобразование координат позволяет осуществить управление АВН, используя проекции обобщенного вектора сетевого тока.

Моделирование в среде MATLAB\Simulink подчиненной системы регулирования АВН, в режимах потребления энергии и рекуперации ее в первичную сеть, с управлением на основе предложенного способа, подтвердило его работоспособность. Используя возможности пакета MATLAB\Simulink можно получить внешние и регулировочные характеристики АВН и осуществить его параметрический анализ и синтез [4].

Список литературы

1. Томасов В.С., Борисов П.А. Моделирование и анализ электромагнитных процессов в силовых цепях активных выпрямителей напряжения // Труды V Международной конференции “Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение” / Крым, Алушта, 2003.

Ч. I. С. 727-730.

2. Борисов П.А., Томасов В.С. Определение составляющих полной мощности энергоподсистем электротехнических комплексов // Математика в приложениях. 2004, № 1. С. 40 - 44.

3. Борисов П.А. Несимметричные режимы работы полупроводниковых преобразователей // Труды Международной научно-практической конференции “Электронные средства и системы управления”. Томск. 2004.

С. 132 - 134.

4. Борисов П.А., Томасов В.С. Расчет и моделирование выпрямителей: учеб. пособие по курсу “Элементы систем автоматики” Ч. I. СПб:

СПб ГУ ИТМО, 2009. 169 с P. Borisov, N. Polyakov, A. Kireev Control system of three-phase active rectifier of voltage with a coordinate transformation modeling Realization of the three-phase active voltage rectifier regulation of the generalized network current vector projections method with coordinates transformation is examined. The simulation of the subordinated active voltage rectifier regulation system in MATLAB\Simulink based on the offered method in modes of power consumption and power recuperation into the primary network confirmed its workability.

Keywords: three-phase AVN, model in MATLAB/Simulink, electromagnetic processes.

Получено 06.07.10 Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода УДК 62-83:004 Е.Г. Бородацкий, канд. техн. наук., гл. специалист отдела электропривода, (343) 360-05-01, borodatskiy@asc-ural.ru (Россия, Екатеринбург, ЗАО "АСК"), К.В. Кривовяз, канд. техн. наук, техн. директор, (343) 360-05-01, krivovyaz@asc-ural.ru (Россия, Екатеринбург, ЗАО "АСК")

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СЕКЦИИ

ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Описывается серия низковольтных выпрямительных секций типа СВ для автоматизированных электроприводов, осваиваемая в производстве ЗАО "Автоматизированные системы и комплексы" (г. Екатеринбург). Приведены примеры внедрения выпрямительных секций в электроприводах постоянного и переменного тока.

Ключевые слова: электропривод, выпрямительные секции, конструктив.

Выпрямители получили большое распространение в современной технике. Потребителями электрической энергии постоянного тока служат как электротехнологические установки, так и автоматизированные электроприводы. В электроприводах постоянного тока средней и большой мощности выпрямители являются практически основным видом преобразователя электрической энергии, осуществляя выпрямление переменного тока и управление потоком электрической энергии. В электроприводах переменного тока выпрямители используются как составная часть двухзвенных преобразователей частоты. Также выпрямители широко применяются для питания постоянным током обмоток возбуждения синхронных двигателей и двигателей постоянного тока [1].

Это обусловлено рядом достоинств данного вида преобразователей:

хорошими регулировочными характеристиками, малыми габаритными размерами и массой, невысокой стоимостью, простотой и надёжностью в эксплуатации.

Сегодня выпрямительные секции разработаны и выпускаются рядом предприятий как в нашей стране [2], так и за рубежом [3, 4]. Предприятием «Автоматизированные системы и комплексы» накоплен значительный опыт разработки, изготовления и наладки автоматизированных электроприводов на основе готовых выпрямительных сборок иностранного производства. На протяжении ряда лет предприятием изготавливаются тиристорные преобразователи напряжения для систем плавного пуска электроприводов переменного тока [5, 6].

В настоящее время для повышения конкурентоспособности предприятия, обеспечения большей устойчивости на текущий период и в перспективе было принято решении о разработке и освоении выпуска собственной серии выпрямительных секций типа СВ. Данная серия охватывает Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 выпрямители с воздушным естественным и принудительным охлаждением в диапазоне токов от 250 до 3200 А и напряжений до 1000 В.

Структура условных обозначений выглядит следующим образом (рис. 1).

–  –  –

В представленной структуре группы символов обозначают:

1. Тип выпрямительной секции: СВ.

2. Тип полупроводниковых приборов:

нет символа – тиристоры;

Д – диоды.

3. Система охлаждения:

Е – естественное воздушное;

Д – принудительное воздушное.

4. Номинальный ток в амперах: Iном (для реверсивных секций через наклонную черту указываются токи прямого и обратного комплекта выпрямителей).

5. Номинальное напряжение в вольтах: Uном.

6. Конфигурация выходных шин:

нет символа – шины постоянного тока выведены вправо;

1 – шины постоянного тока выведены влево.

7. Климатическое исполнение и категория размещения.

В качестве основного элемента выпрямительной секции используется конструктив, содержащий несущий групповой охладитель на котором закреплены силовые таблеточные полупроводниковые приборы и индивидуальные охладители. К охладителям приварены клеммы для внешних электрических подключений. При использовании воздушного принудительного охлаждения к групповому охладителю крепятся экраны, образующие вентиляционную шахту. Если принудительное охлаждение не используется, то групповой охладитель крепится непосредственно к несущему элементу шкафа без формирования вентиляционных шахт.

Рассмотрим схему выпрямительной секции для автоматизированного реверсивного электропривода постоянного тока на номинальные ток 1600 А и напряжение 660 В, представленную на рис. 2. Она содержит два трехфазных мостовых выпрямителя на тиристорах VS1…VS6 и VS7…VS12 рис. 2 соответственно. Оба моста имеют общие входы, на которые подается трехфазное переменное напряжение и выходы, включенные встречно – параллельно. Для защиты от внутренних и внешних коротких замыканий в выпрямительной секции установлены Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода быстродействующие предохранители FU1…FU6. Для защиты от коммутационных перенапряжений параллельно силовым тиристорам подключены RC-цепи. Электровентиляторы M1 и M2 обеспечивают необходимый поток охлаждающего воздуха, проходящего через ребра охладителей.

Рис. 2. Схема выпрямительной секции для реверсивного электропривода постоянного тока Конструкция секции (рис. 3) представляет собой три фазных конструктивных элемента 1, которые закреплены на общих поперечных балках.

Блок с защитными RC-цепями 2 расположен сбоку секции. Быстродействующие предохранители 3 размещены с лицевой стороны, что значительно облегчает их замену. В верхней части выпрямительной секции установлены центробежные вентиляторы 4. Воздушный поток, создаваемый вентиляторами, направлен снизу вверх.

Принятое компоновочное решение позволяет совместить в одном элементе, как функцию несущего конструктива, так и функцию пропускания силового тока. За счет замены ряда разборных соединений на сварные упрощается конструкция и повышается надежность выпрямительных секций.

<

–  –  –

Рис. 3. Конструкция выпрямительной секции для реверсивного электропривода постоянного тока В настоящее время изготовлены две партии выпрямительные секции серии СВ, которые используются в автоматизированном реверсивном электроприводе постоянного тока и в возбудителях для синхронных электродвигателей.

–  –  –

1. Преображенский В.И. Полупроводниковые выпрямители. М.:

Энергия, 1976.

2. В. Масленников [и др.] Силовые блоки на основе мощных диодов и тиристоров В. Масленников [и др.] // Компоненты и технологии. 2005. №5.

3. Лебедев А. Сборки компании Westcode // Силовая электроника.

2007. №1.

Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода

4. Колпаков А. Сборки SEMISTACK – серийная продукция SEMIKRON // Силовая электроника. 2006. №1.

5. Устройство плавного пуска асинхронного электропривода типа ПАД-500-200 / В.С. Копырин [и др.]. Докл. научно-практического семинара «Проблемы и достижения в промышленной энергетике».

Официальный каталог «Энергетика и электротехника». Екатеринбург:

Уральские выставки, 2001.

6. Высоковольтный преобразователь напряжения для плавного пуска электродвигателя переменного тока / А.А.Ткачук [и др.] // Электроприводы переменного тока: тр. Международной четырнадцатой научно-технической конференции. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007.

E. Borodackij, K. Krivovjaz Semi-conductor rectifying sections for the automated electric drives The description of the series of low-voltage rectifier sections of CB type for automated electric drives, introduced into production of CJSC "Automated systems and complexes" is presented (Ekaterinburg). There are shown some examples of implementation of rectifier sections within AC and DC drives.

Keywords: electric drive, rectifying section, constructive.

–  –  –

УДК 62-83:004 О.Г. Брылина, канд. техн. наук, доц., (351) 267-93-21, teolge@mail.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ)

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУХТАКТНЫХ

ОДНОЗОННЫХ И МНОГОЗОННЫХ РАЗВЕРТЫВАЮЩИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Рассматриваются спектральные характеристики двухтактных однозонных и многозонных развертывающих преобразователей с широтно- (ШИМ) и частотноширотно-импульсным (ЧШИМ) законами модуляции. Приведены структуры преобразователей и их статические характеристики. Анализ выполнен на базе математического пакета MatLab+Simulink.

Ключевые слова: электропривод, силовая и информационная электроника, электротехнологии.

Спектральный анализ развертывающих преобразователей (РП), основой которого является преобразование Фурье, позволяет охарактеризовать частотный состав их выходного сигнала и осуществить не только оптимизацию типа и параметров сглаживающего фильтра, но и определить степень влияния закона модуляции на соседние устройства преобразования информации, подключенные к общему источнику электропитания.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 Наибольшее распространение в системах автоматики получили РП, в частности, с двухтактной широтно- (РП-ШИМ) и частотно-широтноимпульсной модуляцией (РП-ЧШИМ) (табл. 1) [1].

Однозонный РП-ШИМ (рис.1, а) представляет собой классическую структуру с «вертикальным» управлением [1], включающую в себя генератор пилообразного напряжения ГПН, сумматор и релейный элемент РЭ, когда скважность выходных импульсов YВЫХ изменяется под действием входного сигнала Х ВХ в результате перемещения сигнала «пилы» относительно порогов переключения РЭ.

–  –  –

Аналогичный принцип действия имеет МРП-ШИМ (рис. 1, б) с той лишь разницей, что амплитудный диапазон выходных импульсов YВЫХ Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода на выходе сумматора 2 разбит на несколько поддиапазонов (модуляционных зон). Режим двухтактной модуляции в первой модуляционной зоне формируется с помощью РЭ, имеющего минимально возможное, с точки зрения технической реализации, значение порогов переключения. Работа РП-ШИМ в остальных модуляционных зонах обеспечивается с помощью ключевых элементов К1 Кn с характеристикой, приведенной на рис. 1, б.

Порог Сi каждого из последующих ключей равен Сi +1 = (Ci + YГ ), где YГ

– амплитуда выходного сигнала ГПН. В первой модуляционной зоне выходные импульсы РП-ШИМ формируются за счет переключения РЭ. При «вертикальном» смещении пилообразного сигнала развертки с выхода ГПН последовательно в работу включаются К1 Кn, обеспечивая работу преобразователя в последующих модуляционных зонах.

РП-ЧШИМ представляет собой замкнутую автоколебательную систему (рис. 1, в) [1, 2] на основе сумматора, интегратора И и релейного элемента РЭ с симметричной относительно нулевого уровня порогами переключения ± b. Выходной сигнал И имеет пилообразную форму, ограниченную по амплитуде величиной ± b. Выходной сигнал РЭ YВЫХ меняется дискретно в пределах ± А.

Отличительной особенностью МРП-ЧШИМ (рис.1, г) [2, 3] является наличие группы РЭ1 – РЭn с характеристикой, показанной на рис. 1, г.

Число модуляционных зон Z определяется из соотношения Z = (n + 1) / 2, где n – число релейных элементов. Пороги переключения РЭ удовлетворяют условию ± b1 ± b2........... ± b n, где индекс при b соответствует порядковому номеру релейного элемента.

Модуляционная f 0 = f ( Х ВХ ) и амплитудная Y 0 = f(X ВХ ) характеристики преобразователей представлены на рис. 2 (при n = 3 ):

f 0 = f 0 / f 0 Х = 0 – нормированная частота выходных импульсов РП ВХ YВЫХ, отнесенная к частоте f 0 Х =0 РП при нулевом уровне входного сигнала ВХ Х ВХ ; Х ВХ = Х ВХ / А – нормированное значение входного сигнала по отношению к максимальному амплитудному диапазону ± А выходных импульсов РП YВЫХ ; Y0 = Y0 / A – среднее значение выходных импульсов РП YВЫХ за интервал их дискретизации.

Модуляционная характеристика f 0 = f 0 / f 0 Х =0 для РП-ШИМ и ВХ МРП-ШИМ (рис.2 а) не зависит от входного сигнала X ВХ, и постоянна во всем диапазоне его изменения. Отличие МРП-ЧШИМ от РП-ЧШИМ состоит в том, что в модуляционной характеристике МРП-ЧШИМ присутствуют точки с f 0 = 0 (частотно-нулевое сопряжение модуляционных зон).

Амплитудные характеристики для рассматриваемых РП линейны во всем диапазоне изменения X ВХ.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2

–  –  –

Из рис. 3 видно, что для РП-ШИМ и РП-ЧШИМ амплитуда выходного сигнала и амплитуда первой гармоники больше в три раза (рис. 3 в, г) по сравнению с многозонными системами МРП-ШИМ и МРП-ЧШИМ (рис. 3 а, б).

Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода На рис. 4 – 7 приведены пространства, характеризующие спектральный состав в РП-ШИМ (рис. 4), РП-ЧШИМ (рис. 5), МРП-ШИМ (рис. 6) и МРП-ЧШИМ (рис. 7) при различных значениях входного сигнала и скважности выходных импульсов.

При изменении скважности в выходном спектре любого из развертывающих преобразователей появляются четные гармоники. Причем изменение амплитуды гармоник носит затухающий колебательный характер.

–  –  –

1. Цытович Л.И. Развертывающие преобразователи для систем управления вентильными электроприводами и технологической автоматики: дис... д-ра техн. наук. Челябинск: ЧГТУ, 1996. 464 с.

Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода

2. Терещина О.Г. Электроприводы с параллельными каналами регулирования на основе многозонных интегрирующих развертывающих преобразователей: дис… канд. техн. наук. Челябинск: ЮУрГУ, 2007, 235 с.

3. А.с. 1257666 СССР. Многозонный развертывающий преобразователь. № 3829786/24; Заявлено 15.05.86; Опубл. 15.09.86, Бюл. № 34.

O. Brylina Spectral characteristics of one-zonal and multizonal deploying push-pull converters Questions of the spectral analysis the single-cycle the one-zonal and multizonal sweep converters with width- and frequency-pulse-width laws of modulation of output signal are considered. Structures of converters and their static characteristics are given. The analysis is executed on the basis of mathematical package MatLab+Simulink.

Keywords: electric drive, power and data electronics, electrotechnologies.

Получено 06.07.10

УДК 62-83:004 В.А. Соловьев, д-р техн. наук, проф., (4217) 53-60-09, kepapu@knastu.ru (Россия, Комсомольск-на-Амуре, КнАГТУ), Н.Е. Дерюжкова, канд. техн. наук, проф., (4217) 53-60-09, kepapu@knastu.ru (Россия, Комсомольск-на-Амуре, КнАГТУ), А.С. Гудим, канд. техн. наук, ст. преподаватель, (4217) 53-60-09, kepapu@knastu.ru (Россия, Комсомольск-на-Амуре, КнАГТУ), Р.А. Фондеркин, асп., (4217) 53-60-09, kepapu@knastu.ru (Россия, Комсомольск-на-Амуре, КнАГТУ)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО

ИНТЕЛЛЕКТА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ

Рассмотрены принципы построения автоматизированного электропривода с использованием средств вычислительного интеллекта. Приводится методика синтеза регуляторов, обеспечивающих заданные показатели качества подобных систем.

Ключевые слова: искусственный интеллект, многослойная нейронная сеть, межклетевые натяжения.

На кафедре в течение ряда лет в рамках инициативной НИР ведутся исследования по применению принципов искусственного интеллекта для систем автоматизированного электропривода.

По мере развития и совершенствования технологии проката увеличивается число параметров и факторов, которые необходимо контролировать и обрабатывать с целью оптимизации протекания технологических процессов. При этом непрерывно повышаются требования к системам автоматизации и в первую очередь к системам автоматизации электропривода.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 Основной задачей настройки скоростного режима, непрерывных групп клетей сортовых станов является поддержание минимального значения межклетевых натяжений путем регулирования соотношения скоростей клетей при автоматическом управлении процессом непрерывной прокатки. При этом наилучшие показатели по качеству выходной продукции и надежности работы имеют системы косвенного измерения и регулирования минимальных межклетевых натяжений. В отечественной практике опыт применения этих систем управления пока достаточно мал [1].

В настоящее время ведутся исследования влияния основных параметров звеньев системы на качественные характеристики системы управления скоростным режимом прокатки мелкосортно - проволочного прокатного стана.

Для того, чтобы регулировать какую либо величину, ее прежде всего нужно измерить. Способов непосредственного измерения натяжения полосы горячего проката до настоящего времени не существует, но, в то же время, для измерения натяжения используются косвенные методы.

Ток двигателя при прокатке имеет следующие составляющие:

I дв=I 0+I дин+I w+I F, где I дв - ток двигателя, А; I 0 - ток холостого хода двигателя; I дин - динаdn мическая составляющая тока двигателя, пропорциональная ; I w - соdt ставляющая тока двигателя, идущая на обжим проката; I F - составляющая тока двигателя на натяжение или подпор в зависимости от знака ± I F.

Модель, учитывающая качественные характеристики силового взаимодействия систем электропривода с металлом в межклетевом промежутке, приведена на рис. 1. Модель реализована в среде Matlab. Анализ результатов моделирования показал, что при обеспечении минимального межклетевого натяжения можно достичь сравнительно хороших динамических показателей системы электропривода.

Следует отметить, что при несогласованном скоростном режиме происходит небольшой рывок металла, что обуславливает бросок по скорости на первой секунде переходного процесса, затем скорость предыдущей клети опять становится такой же, как до входа металла в последующую клеть. В межклетевом промежутке возникает несогласованный в смысле постоянства секундного объема проката режим.

Быстродействие регулирования натяжения зависит от быстродействия системы управления приводами клетей. Настройка системы управления приводом на стандартные технические оптимумы в данном случае оказывается не очень эффективной вследствие технологических особенностей прокатки металла на сортопрокатном стане: из-за малых межклетевых промежутков и высоких скоростей прокатки классические регуляторы скорости двигателей не всегда успевают вовремя отработать сигнал управления сисНовые программные и технические средства автоматизированного электропривода темы регулирования натяжения. Поэтому существует потребность в поиске альтернативных способов регулирования скорости электропривода клети. В настоящее время исследуется возможность использования нейрорегулятора скорости.

–  –  –

Анализ применения нейросетевого принципа управления осуществлялся на базе нейросетевого контроллера продукта среды Matlab/Simulink:

NARMA-L2 (рис. 2). Основной принцип, которого заключается в том, что в процессе идентификации происходит переход от нелинейной динамической системы к линеаризованной.

Рис. 2. Структурная схема нейросетевого управления электроприводом Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 Управление на основе многослойной нейронной сети позволяет решать плохо формализуемые задачи управления сложными динамическими объектами в тех нередких случаях, когда априорные "жесткие" модели и алгоритмы не адекватны реальному состоянию управляемого процесса.

Многослойная нейронная сеть выполняет в динамической системе управления функцию адаптивного регулятора объекта. В этом случае нейросеть в процессе обучения одновременно формирует оптимальное в смысле минимальности требуемой целевой функции управляющее воздействие на входе исполнительного устройства системы. Цель обучения сети и цель управления объектом совпадают, и это означает задание общей целевой функции.

Другим направлением является использование аппарата нечеткой логики при построении нечетких регуляторов систем управления электроприводами.

Авторами разработана методика синтеза нечетких регуляторов систем регулирования положением по заданным показателям качества, автоматизирующая процесс построения базы знаний нечеткого логического регулятора и исключающая влияние субъективного фактора. Процесс синтеза условно можно разбить на шесть этапов.

На первом этапе необходимо сформулировать задачу регулирования исследуемой системы (объекта регулирования) и установить требования к качеству регулирования, для чего определяем основную выходную (регулируемую) величину (положение, скорость, температура и.т.д.), а также, ограничение на диапазон задающего воздействия.

На втором этапе, исходя из требований, полученных на предыдущем этапе, необходимо выбрать каналы регулирования, определить возможные варианты регулирования (способы подачи управляющих воздействий).

Структурно включение нечеткого логического регулятора (функции) целесообразно реализовать согласно схеме, представленной на рис. 3.

На третьем этапе производится выбор рационального варианта регулирования. Увеличение количества каналов (контуров) регулирования в общем случае позволяет улучшить качество управления.

На четвертом этапе производится построение модели нечеткого логического регулятора на основе результатов, полученных на предыдущих этапах. Для построения модели нечеткого логического регулятора (фаззификации входных переменных, дефаззификации выходных и формирования базы нечетких правил) предлагается использовать следующий алгоритм.

<

Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода

Рис. 3.

Обобщенная структурная схема следящей системы с нечетким логическим регулятором:

P – объект регулирования (управления); FНЛР – нечеткая логическая функция; xz(t) – задающий сигнал (воздействие); yi (t ) – измеряемые координаты объекта регулирования (каналы регулирования);

y1(t) – основная регулируемая координата (выходной сигнал системы);

i(t) – ошибки регулирования; di(t)/dt – производные ошибок регулирования; Ui(t) – сигналы управления

1. Формируется распределение термов входных сигналов, при этом координатами вершин терм-множеств задающего сигнала будут являться:

- минимальное по модулю положительное значение задающего сигнала;

- минимальное по модулю отрицательное значение задающего сигнала;

- максимальное по модулю положительное значение задающего сигнала;

- максимальное по модулю отрицательное значение задающего сигнала.

Если не планируется расширение диапазона задающего воздействия в сторону малых сигналов, возможно объединение двух центральных функций принадлежности в одну – нулевую. Подобная мера позволит, сократить базу нечетких правил, что, приведет к увеличению быстродействия нечеткого логического регулятора.

2. Формируется распределение термов выходных сигналов, при этом количество функций принадлежности выходной переменной по каждому каналу управления определяется из условия: одна выходная функция принадлежности на каждую пару входных, имеющих равные по модулю значения, вершин. В качестве выходного сигнала для всех ранее выбранных каналов управления используется сигнал, образованный полиномом Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 нечеткого логического вывода, включающий ошибку регулирования и производную ошибки регулирования по заданному контуру управления.

3. При построении базы нечетких правил для каждого терма входной переменной xz(t), соответствующей входному сигналу и терму выходной переменной Ui(t), строится правило нечеткой продукции вида If (xz is «А») then (U1 is «С1») (U2 is «С2»)…(Ui is «Сi»).

4. Рекомендации по нахождению коэффициентов полиномов нечеткого логического вывода при выходных термах:

- на первом этапе следует определить коэффициент, учитывающий ошибку регулирования, при этом коэффициент полинома при производной ошибки регулирования выводится в ноль. Итеративно увеличиваем коэффициент до тех пор, пока выбранный на первом этапе реализации способа интегральный показатель качества не будет минимально возможным;

- на втором этапе осуществляют подбор коэффициента полинома при производной ошибки регулирования. Как и ранее, итеративно увеличивают коэффициент, пока ошибка регулирования и перерегулирование не будут соответствовать заданным требованиям.

На пятом этапе проводится проверка адекватности полученной модели нечеткого логического регулятора.

На шестом этапе осуществляется техническая реализация нечеткого логического регулятора. При выборе аппаратной базы, прежде всего, необходимо руководствоваться соображениями экономичности.

Оценка эффективности предлагаемого способа была осуществлена на примере следящего электропривода с двигателем постоянного тока независимого возбуждения.

В качестве модели двигателя постоянного тока независимого возбуждения была выбрана модель из пакета SimPowerSystems среды Matlab, которая наиболее полно отражает характеристики реального двигателя.

Моделирование следящего электропривода осуществлялось в пакетах Simulink и Fuzzy Logic.

В интеллектуальной следящей системе с нечетким логическим регулятором по сравнению с классической системой регулирования среднее квадратичное отклонение RMS(p(t)) выходной величины (угла поворота, (t)) от входной (задающего сигнала, xz(t)) в области малых перемещений для следящего режима в 2,16 раза меньше, для режима позиционирования RMS(p(t)) соответственно в 1,24 раза меньше, время переходного процесса при этом в 2 раза меньше.

В области средних перемещений для следящего режима RMS(p(t)) в 1,45 раза меньше. Для режима позиционирования RMS(p(t)) в 1,02 раза меньше, время переходного процесса в 1,83 раза меньше.

В области больших перемещений для следящего режима RMS(p(t)) улучшение показателей незначительно.

Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода Положительный эффект от применения нечеткого логического регулятора в области больших перемещений будет проявляться за счет снижения величины перерегулирования.

–  –  –

1. Чертов А.Д. Применение систем искусственного интеллекта в металургической промыщленности // Металлург.2003.№7.

V. Solov`yov, N. Deryuzhkova, A. Gudim, R. Fonderkin Use of means of computing intelligence in technological electric drives The principles of automated electric drive with the use means of computational intelligence, the technique of synthesis of regulators to ensure specified quality parameters of such systems are considered.

Keywords: artificial intelligence, multi-layered neuron network, intercage pulls.

Получено 06.07.10

УДК 62-83:004 И.В. Гуляев, д-р техн. наук, декан, (8342) 47-66-69, manyaev@yandex.ru (Россия, Саранск, МГУ имени Н.П. Огарева), Г.М. Тутаев, канд. техн. наук, доц., (8342) 47-66-69, tutaevgm@mail.ru (Россия, Саранск, МГУ имени Н.П. Огарева), И.В. Маняев, асп., (9047)212758, manyaev@yandex.ru (Россия, Саранск, МГУ имени Н.П. Огарева)

ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОНИЗИРОВАННОГО

ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Рассмотрено влияние частоты возбуждения на энергетические характеристики асинхронизированного вентильного двигателя в установившихся режимах.

Ключевые слова: асинхронизированный вентильный двигатель, электромагнитные процессы, частота возбуждения.

Электропривод с асинхронизированным вентильным двигателем (АВД) имеет в своем составе базовый асинхронный двигатель с фазным ротором, включенный в режиме машины двойного питания и два преобразователя частоты в статоре и роторе (рис.1) [1, 2].

АВД обладает большей перегрузочной способностью и меньшими ограничениями в режиме упора, чем АД и вентильный двигатель постоянного тока вследствие наличия вращающегося магнитного поля при неподвижном роторе, которое обеспечивает коммутацию тока в фазах обмотки статора с частотой возбуждения. В ЭП с АВД обмотка ротора (обмотка Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 возбуждения) питается от преобразователя током низкой фиксированной частоты порядка 5 Гц, а обмотка статора (якоря) – от преобразователя частоты, инвертор которого управляется по фазе ЭДС якоря. С началом вращения ротора выходная частота ПЧ статора автоматически увеличивается на частоту вращения ротора.

–  –  –

Значения активных мощностей, потребляемые АВД на базе 4AK250SB4У3 (Р2 = 55 кВт) по цепям якоря и возбуждения при постоянной угловой скорости ротора и различных частотах возбуждения, представлены на рис.3.

-50 0,2 0,4 0,6 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0

–  –  –

В целом частота возбуждения является многокритериальным параметром и кроме мощности скольжения определяет коммутационную способность ИТ и степень нагрева его силовых элементов при пуске ЭП с АВД из режима упора [1]. Так, в [5] были выявлены проблемы при моделировании пуска ЭП из режима упора при частоте возбуждения 5 Гц, что проявлялось в срывах коммутации силовых ключей инвертора.

Анализ полученных выражений и статических зависимостей энергетических характеристик от частоты возбуждения позволяет сделать следующие выводы:

1. Снижение частоты возбуждения и переход на встречное вращение ротора и магнитного поля приводит к значительному росту cos.

2. Снижение частоты возбуждения ухудшает коммутационную способность ИТ и режим работы его силовых элементов по нагреву.

3. Принятые в математической модели допущения не позволяют провести более полный анализ потерь в цепях статора и ротора при изменении частоты возбуждения.

Список литературы

1. Сонин Ю.П., Гуляев И.В. Асинхронизированный вентильный двигатель. Саранск. Изд-во Мордов. ун-та, 1998. 68 с.

2. Гуляев И.В. Обобщенная электромеханическая система на основе асинхронизированного вентильного двигателя. Саранск. Изд-во Мордов.

ун-та, 2004. 84 с.

3. Тутаев Г.М., Ломакин А.Н. Математическая модель двигателя двойного питания при векторном управлении // Изв. ВУЗов.

Электромеханика, №5, 2007. С. 8-14.

4. И.П. Копылов [и др.]. Асинхронизированный вентильный двигатель с ортогональным управлением. И.П. Копылов [и др.] // Электротехника. 2002. №9. С. 2-4.

5. Моделирование режима упора электропривода на базе машины Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2 двойного питания // Электроника и информационные технологии. 2009 Вып. 2(6). URL: http://fetmag.mrsu.ru/2009-2/pdf/Tutaev_Lomakin.pdf.

I. Gulyaev, G. Tutaev, I. Manyaev Influence of frequency of excitation on power characteristics of asynchronized thyratron motor Influence of frequency of excitation on power characteristics of asynchronized thyratron motor in the established modes is considered.

Keywords: asynchronized thyratron motor, electromagnetic processes, frequency of excitation.

Получено 06.07.10

УДК 62-83:004 В.И. Доманов, канд. техн. наук, доц., 8-902-244-24-88, Andrew.domanov@gmail.com (Россия, Ульяновск, УлГТУ), А.В. Доманов, канд. техн. наук, доц., 8-902-244-24-88, Andrew.domanov@gmail.com (Россия, Ульяновск, УлГТУ), И.Ю. Муллин, асп., 8-902-244-24-88, Andrew.domanov@gmail.com (Россия, Ульяновск, УлГТУ)

ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИХ

УСТРОЙСТВ В АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ

Рассматриваются вопросы построения и эффективного использования транзисторных широтно-импульсных преобразователей в различных режимах управления трехфазными асинхронными двигателями. Показывается преимущество рассматриваемых схем перед тиристорными регуляторами напряжения по потреблению реактивной мощности и уровню высших гармоник.

Ключевые слова: транзисторные ключи, широтно-импульсные преобразователи, транзисторы.

Широкое применение силовых преобразователей для пускорегулирующих режимов асинхронных электродвигателей является одной из тенденций современного электропривода. Основным устройством, используемым для этого является тиристорный регулятор напряжения (ТРН). В то же время отмечается [1], что возможно возрастание потребления реактивной мощности и высокий уровень высших гармоник [2].

Влияние указанных недостатков может быть существенно снижено при использовании транзисторных ключей, работающих в ШИМ-режиме, которые замыкают «нулевую» точку статорных обмоток асинхронного двигателя через выпрямительный мост [3].

Рис. 1. Амплитудный спектр фазового управления Применение в качестве регулирующего параметра коэффициента регулирования позволяет сравнить между собой изменения спектрального состава при различных формах опорного напряжения.

–  –  –

Рис. 2. Амплитудный спектр широтно-импульсного управления При фазовом управлении частота первой гармоники составляет 50 Гц, а при ШИП она гораздо выше – 1…10 кГц. Поэтому для фильтрации (сглаживания) высших гармоник в ШИП можно использовать фильтры с меньшими весогабаритными показателями.

Сравнение амплитуд высших гармоник, приведенных на рис. 1, 2, показывает достоинства ШИМ-управления. Модернизация рассматриваемой схемы позволяет осуществить не только пускорегулирующие режимы, но и динамическое торможение.

Список литературы

1. Браславский И. Я. Баланс реактивной мощности в системе тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный двигатель // Электротехника. 2000. №1.

2. Аверин С. В. Сравнение способов регулирования переменного напряжения с помощью коэффициента регулирования // Практическая силовая электроника. 2002. №8.

3. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники. Новосибирск: Издво НГТУ. 2003. 664 с.

V. Domanov, A. Domanov, I. Mullin Using transistor start-control devices in an asynchronous electric drive The questions of construction and efficient use of transistor pulse-width converter in different modes of three-phase asynchronous motors are considered. The superiority of the schemes before the thyristor voltage regulators for the consumption of reactive power and the level of higher harmonics is shown.

Keywords: transistor switches, pulse-width converters, transistors.

Получено 06.07.10 Новые программные и технические средства автоматизированного электропривода УДК 62-83:004 Н.В. Донской, канд. техн. наук. доц., гл. науч. сотр., (8352) 39-00-34, mageko@mail.ru (Россия, Чебоксары, ЧувГУ, ОАО «ВНИИР»), К.А. Чубуков, асп., ст. науч. сотр. департамента силовой электроники, (8352) 39-00-36, mageko@mail.ru (Россия, Чебоксары, ЧувГУ, ОАО «ВНИИР»)

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ

ПОСТОЯННЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В НАПРЯЖЕНИЯХ И ТОКАХ

АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ С ВЕКТОРНОЙ

ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Показаны причины возникновения постоянных составляющих в выходном напряжении автономных инверторов, управляемых по методу векторной широтноимпульсной модуляции. На основе анализа причин возникновения постоянных составляющих предложен метод их полного устранения и показан пример его реализации на основе двухуровневого автономного инвертора напряжения.

Ключевые слова: метод векторной широтно-импульсной модуляции, трехфазные автономные инверторы напряжения, постоянная составляющая в токах фаз.

Трехфазные автономные инверторы напряжения (АИН), выполненные на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах, находят широкое применение в электроприводах переменного тока в качестве регулируемых источников силового переменного напряжения. Одним из наиболее перспективных методов управления такими АИН является метод векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Однако этот метод имеет недостаток – появление (при определенных частотах управляющего напряжения) постоянных составляющих в выходном напряжении АИН, ухудшающих работу электроприводов за счет появления постоянных составляющих в токах фаз и, как следствие, дополнительных пульсаций вращающего момента двигателей.

Факт возникновения постоянных составляющих в выходном напряжении АИН управляемого по принципу векторной ШИМ не нашел отражения в технической литературе.

Суть метода векторной ШИМ состоит в отказе от одновременной коммутации ключами инвертора и в переходе к коммутации между несколькими, заранее выбранными состояниями инвертора, каждое из которых соответствует определенному пространственному положению базового вектора напряжения (рис. 1).

–  –  –

Изменение состояния ключей приводит к скачкообразному переходу от одного базового вектора к другому. При этом в качестве управляющего сигнала используется вектор фазного напряжения нагрузки, задаваемый модулем Um и углом поворота вектора относительно неподвижных координатных осей. Реальный вектор фазного напряжения является линейной комбинацией двух неподвижных соседних ненулевых базовых векторов и одного или двух нулевых базовых векторов, относительные длительности включения которых k на периоде T0 несущего пилообразного сигнала определяются как синусоидальные функции угла и модуля Um. В общем случае, относительные длительности включения ненулевых базовых векторов в пределах сектора k, в котором расположен заданный вектор, определяются выражениями U U k = 3 m sin ' ; k +1 = 3 m sin ', UП 3 UП где ' = (k 1) = 0 – местный угол внутри сектора, причем должно выполняться равенство: k + k +1 + 0 + 7 = 1, где 0 и 7 – относительные длительности включения нулевых векторов; UП – напряжение звена постоянного тока.

В выходном напряжении АИН при любом способе реализации ШИМ на некоторых частотах наблюдается постоянная составляющая, значение которой меняется в зависимости от частоты задания fЗ =1/ТЗ (при постоянстве опорной частоты f0) и может достигать нескольких процентов от напряжения питания UП. Хотя постоянная составляющая в выходном напряжении АИН и не велика, однако она может приводить к возникновению постоянных составляющих в токах фаз двигательной нагрузки (до 20 % от номинала) и, как следствие, дополнительных пульсаций вращающегося момента.

В АИН управляемых по принципу векторной ШИМ опорный пилообразный сигнал сравнивается с управляющими сигналами, для двухуровНовые программные и технические средства автоматизированного электропривода невого АИН определяемых как C1=k и C2=k+k+1 [1], причем форма управляющих сигналов повторяется каждые ТЗ/6. Причиной появления постоянных составляющих в выходном напряжении АИН с векторной ШИМ, так же как и с синусоидальной ШИМ [2, 3], является неодинаковая вольтсекундная площадь работы верхних и нижних силовых ключей фазы инвертора, вызванная для АИН с векторной ШИМ несимметрией вольтсекундных площадей между первым и вторым полупериодом управляющих импульсов uk, uk+uk+1 (рис. 2), которая возникает в случае, если в периоде управляющего напряжения ТЗ на входе

–  –  –

Полностью решить проблему возникновения постоянных составляющих в выходном напряжении АИН с векторной ШИМ можно при программном или аппаратном изменении частоты пилы соответственно изменению частоты управляющего сигнала, однако данный метод требует достаточно высокого быстродействия процессорного модуля или источника плавно регулируемого пилообразного напряжения, что за частую нецелесообразно или невозможно.

Для устранения постоянной составляющей в выходном напряжении АИН с векторной ШИМ предлагается способ, не требующий существенного увеличения быстродействия и достаточно просто реализуемый как в цифровом, так и в аналоговом виде. Суть способа заключается в сбросе пилообразного напряжения в начальное состояние, которое заранее определено и находится в диапазоне от нуля до максимума амплитуды пилы, при достижении углом задающего вектора напряжения ряда значений кратных /3.

Так как в АИН с векторной ШИМ пилообразный сигнал формируется одинаково как для двухуровневого, так и для трехуровневого исполнения, то рассмотрим предлагаемый способ устранения постоянной составляющей в выходном напряжении АИН на основе двухуровневого АИН с векторной ШИМ с двухуровневым компаратором [1].

Структурная схема для двухуровневого АИН с векторной ШИМ с исключением постоянной составляющей представлена на рис.

3 и включает в себя:



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
Похожие работы:

«Захаров Евгений Васильевич ВЛИЯНИЕ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ПРОЦЕССА ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизи...»

«ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Рабочая программа по экономике (базовый уровень) составлена на основе федерального компонента государственного стандарта среднего (полного) общего образования (Приказ Мин...»

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Математико-механический факультет Кафедра системного программирования РЕАЛИЗАЦИЯ ВИДЕО ПОДСИСТЕМЫ ОС ANDROID С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АППАРАТНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СЕМЕЙСТВА МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ПРОЦЕССОРОВ TI OM...»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет В.Г. ЧЕРНОВ ОСНОВЫ ТЕОРИИ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ МНОГОКРИТЕРИА...»

«Гиляров Владимир Леонович НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ В РЕАКЦИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕРМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ 01.04.07 – физика конденсированного состояния Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук СанктПетерб...»

«"Ученые заметки ТОГУ" Том 7, № 4, 2016 ISSN 2079-8490 Электронное научное издание "Ученые заметки ТОГУ" 2016, Том 7, № 4, С. 370 – 375 Свидетельство Эл № ФС 77-39676 от 05.05.2010 http://pnu.edu.ru/ru/ejournal/about/...»

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владивостокский государственный университет экономики и сервиса" Колледж сервиса и дизайна РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ ПМ. 01. КОНТРОЛЬ И ПУСКОНАЛАДКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СУДО...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Институт экономики и управления (ИНЭУ) сокращенное и полное наименование института...»

«Ожидаемый экономический эффект от внедрения системы управления процессом температурной обработки окатышей, например, на ЦГОКе составит более 100 тыс. грн. за год. Список литературы 1. Ксендзовский В.Р. Автоматизация процесса п...»

«www.mobylplus.ru Тел.: +7(495)542-40-94 Факс: +7(495)751-68-75 E-mail: 5424094@mail.ru Источник бесперебойного питания ME 67 СЕРИЯ ДПТ РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ СОДЕРЖАНИЕ стр.1. НАЗНАЧЕНИЕ 3 2. КОМПЛЕКТНОСТЬ 3 3....»

«X Rebirth Manual Russian v3.0 Всегда актуальная версия на steamcommunity.com http://steamcommunity.com/sharedfiles/filedetails/?id=415578943 Описание Данное руководство описывает начальные примеры использования, реализации игрового процесса. Управления кораблем и назначе...»

«Худолей Наталья Викторовна МЕХАНИЗМЫ АКТУАЛИЗАЦИИ ИНТЕРТЕКСТУАЛЬНЫХ СВЯЗЕЙ В ХУДОЖЕСТВЕННОМ ТЕКСТЕ Статья посвящена изучению способов актуализации межтекстовых связей в художественном тексте. Подробно рассмотрены эксплицитная, имплицитная и деривационная формы интертекстуальности, охарактеризованы основные...»

«ПРОЕКТНАЯ ДЕКЛАРАЦИЯ по строительству многоквартирного дома (корпус 2 и корпус 3) со встроенными помещениями, встроенно-пристроенным подземным гаражом по адресу: г. Санкт-Петербург, территория предприятия "Предпортовый", уч. 3.3 (Ленинские искры) (Проектная декларация опубликована в газете...»

«Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 04. С. 171–188. DOI: 10.7463/0415.0764526 Представлена в редакцию: 07.04.2015 © МГТУ им. Н.Э. Баумана УДК 623.454.257.4 Термоэлектрический генератор для МЭМСвзрыват...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования "Ростовский-на-Дону строительный колледж" "Рассмотрено" "Утверждаю" На заседании Совета колледжа Директор ФГО...»

«Полищук А.И., Межаков А.С. Оценка работы разделительных ограждений в слабых глинистых грунтах, устраиваемых для защиты существующих зданий от влияния нового строительства // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. – 2016. – Т. 7, № 2. – С. 124–131....»

«Научная школа "Инновационные технологии пищевых продуктов из зерна и муки" Руководитель школы Шанина Ольга Николаевна Доктор технических наук, профессор Девиз: мечты становятся реальностью, когда мы...»

«ОТЧЕТ О ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРАВЛЕНИЯ ТСЖ "Галерный 5" за 2015г. Уважаемые собственники! Правление ТСЖ Галерный 5, предоставляет Вам настоящий отчет о проделанной работе по управлению, техническому обслуживанию и содержанию нашего дома.По техническому обслуживанию, содержанию и текуще...»

«Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Хабаровский государственный технический университет"ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПРИРОДНЫХ СОЕДИ...»

«Просяновская Оксана Александровна СОВРЕМЕННЫЕ АНГЛИЙСКИЕ ЭРГОНИМЫ СТРОИТЕЛЬНОЙ ОТРАСЛИ КАК АСПЕКТ СТРОИТЕЛЬНОГО ДИСКУРСА В статье приводятся результаты исследования текстов строите...»

«I Азот ГРОДНО ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ГРОДНО АЗОТ" щШ№Ф СОДЕРЖАНИЕ CONTENTS ВСТУПИТЕЛЬНОЕ СЛОВО FOREWORD ВЕХИ ИСТОРИИ LANDMARKS OF HISTORY ОАО "ГРОДНО АЗОТ" JSC GRODNO AZOT АММИАК жидкий технический AMMONIA liquid technical МЕТАНОЛ MET...»

«ООО "Дельта-С" УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор ООО "Дельта-С" А.В.Соколов _2007г. СЕНСОРЫ (ДАТЧИКИ) ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ Тип СГ-21ХХ-А1 (SGS-21XX-A1) Технические условия ТУ 4215-002-73819788-07 Лист утвержде...»

«ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ ПРЕДПРИЯТИЙ: ЗАРУБЕЖНЫЙ И РОССИЙСКИЙ ОПЫТ Дзагоева М.Р., доктор экономических наук, профессор кафедры налоги и налогообложение ФГБОУ ВПО "Северо-Осетинский государственный у...»

«МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. Вып. 1 (142-143), 2010 _ В.В. Кириченко, доктор сельскохозяйственных наук, академик УААН В.П. Петренкова, доктор сельскохозяйстве...»

«Программный комплекс "Аптека-Урал". Версия 3.1.0.4 Список изменений и добавленных функций Дата выхода версии: 31.03.2014 Общее Код Быстрая и удобная техническая поддержка через удаленное подключени...»

«1 Содержание: Технические данные и область применения модельного ряда УОСВ "ТОПАС" Принцип работы УОСВ Комплектация УОСВ Инструкция по установке и выполнению монтажных работ. 4 Присоединение к канализационной сети Монтаж УОСВ "ТОПАС" Санитарно-гигиенические требования Ввод УОСВ в эксплуатацию Техни...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ НАЦИОНАЛЬНЫМ ГО С ТР СТАНДАРТ 56443РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Тренажеры стационарные ШАГОВЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ, ТРЕНАЖЕРЫ,...»

«ПОДДУБНЫЙ Дмитрий Александрович БЕЗДАТЧИКОВЫЙ АВТОРЕЗОНАНСНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ВОЗВРАТНОВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИ УРАВНОВЕШЕННОГО БУРОВОГО СНАРЯДА НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой с...»

«СОВРЕМЕННЫЕ ТРАНСФОРМАЦИИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОИДА Монография Минерал Кривой Рог ББК 26.11 УДК 528.232.1 Д 53 Рецензенты: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой маркшейдерии ГВУЗ "Криворожский национальный университет" П.И. Федоре...»








 
2017 www.ne.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

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.