Разработка системы управления групповым электроприводом нагружающего устройства
На правах рукописи
Цыков Алексей Александрович
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ НАГРУЖАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Липецк – 2009
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Теличко Леонид Яковлевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Микитченко Анатолий Яковлевич
кандидат технических наук Ченцов Константин Юрьевич
Ведущая организация
ОАО «Липецкий Гипромез» (г. Липецк)
Защита диссертации состоится 13 ноября 2009 г. в 1700 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 в Липецком государственном техническом университете по адресу: 398600, г. Липецк, ул. Московская, 30, административный корпус, ауд. 601.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».
Автореферат разослан « » сентября 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета В.И. Бойчевский
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Для предотвращения простоев в работе производственных агрегатов, вызванных выходом из строя электрических машин, на крупных предприятиях существуют электроремонтные подразделения. После ремонта каждая электрическая машина проходит обязательные сертификационные испытания на контрольно-испытательном стенде, для проведения значительной части которых требуется универсальное нагружающее устройство, обеспечивающее поддержание требуемых значений момента и скорости вращения испытываемого двигателя.
В связи с тем, что мощность испытываемых двигателей может достигать сотен киловатт, а время испытания одного - нескольких часов, особое внимание при выборе электропривода нагружающего устройства следует уделить снижению потерь. Во время работы электроустановки высока вероятность выхода из строя испытываемой машины из-за дефектов, поэтому система управления электроприводами должна обеспечивать нормальный останов нагружающего устройства при неисправностях в испытываемой машине. Поэтому исследования, направленные на разработку и совершенствование системы управления групповым электроприводом нагружающего устройства, отвечающего указанным требованиям, являются актуальными.
Целью работы является повышение качества диагностики асинхронных двигателей на стенде благодаря использованию автоматизированной системы управления групповым электроприводом нагружающего устройства.
Идея работы заключается в разработке системы управления нагружающего устройства на основе группового асинхронного электропривода с общим звеном постоянного тока инверторов, осуществляющей регулирование потокосцепления ротора нагружающей машины в зависимости от частоты вращения ротора и требуемого момента на ее валу, а выходной частоты тока – от частоты тока на выходе инвертора испытываемого двигателя.
Научная новизна заключается:
- в полученной методике расчета энергетических показателей группового электропривода нагружающего устройства, отличающегося от известных использованием схемы включения инверторов с общим звеном постоянного тока;
- в разработанной математической модели нагружающего устройства, отличающейся использованием систем управления электроприводами со скалярным и векторным управлением асинхронными двигателями;
- в полученных законах регулирования потокосцепления и скорости вращения нагружающей машины, которые, в отличие от известных законов, позволяют значительно снизить потребляемый ток и обеспечить надежный останов устройства при выявлении неисправности в испытываемой машине;
- в разработанном методе расчета электромагнитного момента, развиваемого асинхронным двигателем при скалярном законе управления, отличающемся учетом влияния размагничивания магнитной цепи асинхронного двигателя и падения напряжения в цепи статора.
Практическая ценность работы состоит:
- в использовании расчетной методики выбора силового оборудования группового электропривода в электроустановках с асинхронными двигателями, работающими в режиме взаимного нагружения;
- в использовании разработанных законов управления и принципов при создании нагружающих устройств для испытания асинхронных двигателей;
- в повышении точности регулирования момента при ослаблении потокосцепления асинхронного двигателя благодаря учету степени размагничивания его магнитопровода.
Методы и объект исследования. В диссертационной работе использовались методы математического моделирования, теории автоматического управления и экспериментального подтверждения, принцип подчиненного регулирования параметров. Объектом исследования является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с транзисторным инвертором в цепи статора.
Достоверность результатов и выводов подтверждается математическим обоснованием разработанных алгоритмов, сопоставимостью показателей экспериментальных и теоретических исследований; предварительной выборкой используемых значений переменных, полученных от преобразователей частоты.
Реализация работы. Схемные решения и алгоритмы управления электродвигателями нагружающего устройства были реализованы в лабораторном стенде ООО «Промэлектроника». Результаты работы использовались при модернизации автоматизированной системы управления агрегата продольной резки в цехе ЛКП ЗАО «Эксергия», где ожидаемый экономический эффект за счет снижения электрических потерь составляет 120 тыс. руб. в год.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ЛГТУ «Энергетика и энергоэффективные технологии» (г. Липецк, октябрь 2006 г.); на II ежегодной международной научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (г. Липецк, октябрь 2007 г.); на V всероссийской школе-семинаре молодых ученых «Управление большими системами» (г. Липецк, октябрь 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ общим объемом 29 печатных листов, из них одна – в издании из перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 5 приложений. Общий объем диссертации составляет 168 страниц, 26 рисунков, 6 таблиц, библиографический список из 96 наименований, приложений на 43 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, отмечены научная новизна и практическая ценность результатов исследования.
В первой главе произведен анализ существующих электроприводов нагружающих устройств, основным классификационным признаком которых является степень использования энергии испытываемых машин. Наиболее перспективными являются устройства, в которых энергия практически полностью рекуперируется в сеть.
Анализ государственных стандартов, регламентирующих контрольные испытания электрических машин, выявил требования, предъявляемые к разрабатываемому устройству: возможность реализации всех требуемых режимов работы испытываемой машины, энергоэффективность в режиме нагружения, простота и надежность системы управления. Недостаточно полная программа испытаний может не выявить брак в асинхронных двигателях.
Во второй главе рассматривается система векторного управления асинхронным двигателем, описываются архитектура и функциональные возможности типового транзисторного преобразователя частоты. Внимание уделено способам использования энергии, отдаваемой двигателем в генераторном режиме работы, возврат которой в сеть возможен при питании инвертора от активного выпрямителя на IGBT-транзисторах.
Наиболее точное регулирование скорости и момента асинхронного двигателя возможно в режиме векторного управления. В частотно-регулируемом электроприводе на основе инверторов с векторной ШИМ переменное напряжение требуемой амплитуды и частоты подается на обмотку статора. Поэтому система векторного управления асинхронного двигателя базируется на модели обобщенной электрической машины в системе координат x,y, вращающейся со скоростью поля и описываемой уравнениями:
(1)
где U1, i1, r1, 1 – напряжение, ток, активное сопротивление обмотки и потокосцепление статора; 1 = 2·f1 – угловая частота вращения поля; i2’, L2’, r2’ – приведенные ток, индуктивность и активное сопротивление обмотки ротора; – скорость вращения ротора двигателя; рп – число пар полюсов двигателя; 2 – потокосцепление ротора; Lm – коэффициент взаимоиндукции обмоток; Мэм – электромагнитный момент двигателя
При поддержании постоянного потокосцепления ротора момент двигателя не имеет максимума, поэтому в большинстве существующих инверторов осуществляется управление асинхронным двигателем при поддержании постоянного потокосцепления ротора. Момент, развиваемый асинхронным двигателем при таком управлении, определяется уравнением:
, (2)
где 2 – вектор потокосцепление ротора; i1 – вектор тока обмотки статора.
Асинхронный двигатель является многоканальным объектом управления с перекрестными связями между каналами управления и нелинейностями, зависящими от нескольких переменных. Разделить переменные можно путем перевода модели в систему координат 1,2, ориентированную по потокосцеплению ротора. Эта система обеспечивает построение двухканальной системы подчиненного регулирования электроприводом с независимым управлением потокосцеплением ротора 2 и скоростью асинхронного двигателя, показанной на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема системы управления
Третья глава посвящена разработке системы управления нагружающего устройства, оптимальная производительность и высокая степень интеграции устройств которой обеспечивается двухуровневой структурой. Общее управление технологическим процессом на нижнем уровне осуществляется программируемым логическим контроллером, а верхний уровень предназначен для управления системой оператором.
Нагружающее устройство состоит из двух электроприводов, один из которых в статическом режиме работает в двигательном режиме, а другой – в генераторном режиме, нагружая первый. Снижение потерь в электроустановке обеспечивается схемой включения инверторов с общим звеном постоянного тока. Работа активного выпрямителя, питающего инверторы нагружающего устройства, в режиме поддержания заданного коэффициента мощности позволяет скомпенсировать реактивный ток, потребляемый другими электроустановками участка цеха.
Для определения требуемой мощности силового оборудования требуется расчет электрических нагрузок нагружающего устройства при испытании наиболее мощного двигателя. Нагружающий двигатель выбирается из условия, что его номинальные момент и мощность не меньше, чем у испытываемой электромашины (Мн1 Мн2, Рн1 Рн2), а синхронная скорость вращения – 1500 об/мин (число пар полюсов рп2 = 2). С целью унификации электрооборудования следует использовать идентичные инверторы для питания двигателей, выбираемые по номинальному току нагружающей машины с учетом перегрузочной способности (150% в течение 2 минут). Для того чтобы оценить мощность, потребляемую электрическими машинами из звена постоянного тока, следует разделить активные и реактивные составляющие.
Испытываемая машина работает в номинальном режиме, потребляя активную и реактивную мощности соответственно:
(3)
где Iн2, Uн2, cosн2 – номинальные значения тока, напряжения и коэффициента мощности испытываемой машины
Для нагружающей машины получим соответственно активную и реактивную мощности:
(4)
где Iн1, Uн1, cosн1, н1 – номинальные значения тока, напряжения, коэффициента мощности и КПД нагружающей машины; н2 – номинальный КПД испытываемой машины
Полная мощность, потребляемая из звена постоянного тока:
(5)
Для унификации силовых модулей (транзисторные модули активных выпрямителей и инверторов взаимозаменяемы) следует выбирать активный выпрямитель той же мощности, что и инверторы.
Повышение энергетических показателей электроустановки возможно за счет снижения намагничивающей составляющей тока нагружающей машины. С одной стороны, снижение тока возможно при работе двигателя на скоростях выше номинальной, когда потокосцепление ротора ослабляется пропорционально скорости:
(6)
где н и 2н – номинальные значения частоты вращения и потокосцепления ротора, тек и 2тек – текущие значения частоты вращения и потокосцепления ротора, *- относительное превышение номинальной скорости.
С другой стороны, нагружающее устройство предназначено для испытания электрических машин с широким диапазоном изменения номинального момента, следовательно, при испытании значительной части машин нагружающая машина будет работать с низким коэффициентом загрузки Кз. Поэтому следует оптимизировать управление потокосцеплением ротора по минимуму тока статора. С учетом размагничивания двигателя (Кнас) и соотношения составляющих тока статора (КI) получим требуемую степень ослабления потокосцепления ротора, обеспечивающую минимум тока статора:
(7)
Стандартная схема регулирования момента имеет значительный недостаток, ограничивающий ее применение: если при выходе из строя испытываемой машины не произвести останов установки, то при испытании машин с низкой номинальной скоростью дефектная машина будет вращаться на недопустимой скорости. По этой причине на практике используются схемы регулирования момента, когда регулятор скорости вводится в ограничение, а требуемый момент обеспечивается изменением предельного значения момента. На вход регулятора скорости нагружающей машины подается задание, пропорциональное выходной частоте инвертора испытываемой машины f2:
(8)
где pп2 – количество пар полюсов испытываемой машины; - дополнительное задание, вводящее регулятор скорости в ограничение.
При выявлении дефекта в испытываемой машине ее инвертор запрет транзисторы (f2 = 0) и нагружающее устройство начнет снижать скорость до значения, определяемого дополнительным заданием.
Математическое моделирование подтвердило работоспособность предложенных алгоритмов регулирования потокосцепления ротора и скорости нагружающей машины (рис. 2).
Четвертая глава посвящена разработке и исследованию лабораторного стенда. Испытываемая и нагружающая машины стенда имеют одинаковый номинальный момент, но разное число пар полюсов. Управление двигателями осуществляется от преобразователей частоты, включенных по схеме с общим звеном постоянного тока (рис. 3).
Управление работой стенда производится с помощью компьютера через COM-порт. Программа управления стендом обеспечивает формирование команд и обработку информации, поступающей от инверторов, а также визуализацию состояния стенда. Возможно управление инверторами как отдельно, так и в режиме нагружения.
Рис. 2. Графики переходных процессов скорости и момента
нагружающей машины
Рис. 3. Принципиальная схема лабораторного стенда
В программе имеются блокировки, запрещающие действия, приводящие к ошибкам или аварийным режимам. В ходе проведения опытов была подтверждена работоспособность алгоритма вычисления скорости нагружающей машины в аварийных режимах.
На стенде было произведено измерение универсальной кривой намагничивания для двигателей серии 5А на примере испытываемой машины:
(9)
где U1, i1 и 1 – текущие значения напряжения, тока и частоты на выходе инвертора испытываемой машины; r1, L1 – активное сопротивление и индуктивность рассеяния статора испытываемой машины.
Измерение характеристики холостого хода производилось для трех значений частоты статора (20, 30 и 35 Гц) при изменении выходного напряжения от 250 до 500 В. На основании результатов опыта была получена универсальная кривая намагничивания m = f(im) для двигателей серии 5А. Полученные от преобразователя частоты значения выходной частоты и намагничивающего тока использовались для расчета кривой намагничивания, заложенной в инвертор. На рис. 4 показаны кривые намагничивания двигателей серии 5А и инвертора для зоны ослабления поля.
Для определения достоверности получаемых от инвертора значений электромагнитного момента был произведен проверочный расчет момента для испытываемой машины:
(10)
где рп = 1 – число пар полюсов; Фm –главное потокосцепление двигателя; Ia –моментообразующая составляющая тока статора.
Рис. 4. Кривые намагничивания двигателей серии 5А
и инвертора (пунктирной линией)
Значение главного потокосцепления испытываемой машины зависит от тока намагничивания согласно кривой намагничивания. В расчетах учтено изменение намагничивающего тока из-за увеличения падения напряжения на активном сопротивлении и индуктивности рассеяния статора при увеличении тока статора. Активная составляющая тока вычислялась на основании значений потребляемого тока и намагничивающей составляющей. Преобразователь частоты достаточно точно определяет значение электромагнитного момента в широком диапазоне изменения скорости (рис. 5).
Рис. 5. Ошибка измерения момента инвертором
В преобразователе частоты имеется функция снижения потокосцепления в зависимости от нагрузки. Для этого необходимо уменьшить коэффициент возбуждения, устанавливающий величину главного потокосцепления двигателя при работе на холостом ходу. Значительное снижение потребляемого тока (28,5 % при 50-процентной загрузке по моменту) имеет место при коэффициенте возбуждения, равном 50%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе произведен системный анализ существующих электроприводов, которые могут быть использованы в нагружающем устройстве, произведен анализ действующих стандартов, регламентирующих испытания электрических машин. Наилучшие характеристики нагружающей машины, по мнению автора, обеспечивает автоматизированный электропривод с векторным управлением асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Разработана и исследована современная система управления групповым электроприводом нагружающего устройства, высокие энергетические показатели которой обеспечиваются как схемными решениями, так и специальными алгоритмами управления. Благодаря использованию стандартных технических средств и решений разработанная система обладает высокой степенью интеграции компонентов, является универсальной, надежной и отвечающей современным требованиям, предъявляемым к электроустановкам.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований работы заключаются в следующем:
1. Предложена методика расчета электрических нагрузок группового электропривода нагружающего устройства при работе инверторов с общим звеном постоянного тока как в статическом, так и в динамическом режиме. Разработана инженерная методика расчета параметров силового оборудования электроустановки, использование которой позволило решить практические вопросы проектирования нагружающих устройств.
2. Разработана компьютерная модель нагружающего устройства на базе группового асинхронного электропривода. Математические модели асинхронных двигателей строятся на основании уравнений, описывающих обобщенную электрическую машину в системе координат x,y, вращающейся синхронно с полем ротора. Модель описывает поведение системы при скалярном управлении испытываемой машиной, управление нагружающей машиной обеспечивает система подчиненного регулирования в векторном режиме.
3. Предложены законы управления потокосцеплением и скоростью нагружающей машины, обеспечивающие поддержание заданного момента на валу испытываемой машины, расширенный за счет второй зоны диапазон регулирования скорости (регулирование с постоянной мощностью), высокие энергетические показатели нагружающего устройства, а также надежный останов электроустановки в аварийной ситуации.
4. Создан лабораторный стенд, реализующий предложенные законы управления нагружающим устройством. Система управления на базе персонального компьютера обеспечивает управление и визуализацию состояния преобразователей частоты по последовательному интерфейсу.
5. Исследование работы стенда подтвердило работоспособность предложенных законов и алгоритмов управления, было оценено влияние степени насыщения магнитной цепи асинхронного двигателя на точность регулирования момента.
6. Исследована работа нагружающей машины в режиме энергосбережения. Снижение намагничивающего тока нагружающей машины при низкой загрузке по моменту (50 %) позволяет снизить потребляемый двигателем ток на 28,5 %.
7. Лабораторный стенд позволяет проводить часть программы контрольных испытаний асинхронного двигателя, требующую участия нагружающего устройства.
Работы, опубликованные по теме диссертации:
1. Теличко, Л.Я. Вопросы надежности при ремонте асинхронных двигателей [Текст] / Л.Я. Теличко, А.А. Цыков // Сборник докладов международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ЛГТУ «Энергетика и энергоэффективные технологии». – Липецк: ЛГТУ, 2006. – С. 46-50.
2. Теличко, Л.Я. Реализация генераторного режима работы асинхронного двигателя при питании от преобразователя частоты [Текст] / Л.Я. Теличко, А.А. Цыков // Сборник докладов II ежегодной международной начно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии». – Липецк: ЛГТУ, 2007. – С. 287-291.
3. Теличко, Л.Я. Метод определения параметров асинхронной электрической машины [Текст] / Л.Я. Теличко, А.А. Цыков // Электротехнические комплексы и системы управления – 2008. №3. – С. 28-30.
4. Теличко, Л.Я. Энергетические показатели нагружающего устройства на базе частотно-регулируемого асинхронного электропривода [Текст] / Л.Я. Теличко, А.А. Цыков // Вести вузов Черноземья – 2008. № 1. - С. 28-30.
5. Цыков, А.А. Система управления нагружающего устройства [Текст] / А.А. Цыков // V всероссийская школа-семинар молодых ученых «Управление большими системами»: Сборник трудов. Т.2. – Липецк: ЛГТУ, 2008. – С. 207-210.
6. Теличко, Л.Я. Использование ПК для настройки и диагностики преобразователей частоты в электроустановках [Текст] / Л.Я. Теличко, А.А. Цыков // Электротехнические комплексы и системы управления – 2008. №4. – С. 63-65.
7. Теличко, Л.Я. Разработка автоматизированной системы управления нагружающего устройства [Текст] / Л.Я. Теличко, А.А. Цыков // Вестник ВГТУ – 2008. Т. 4. № 12. – С.12 -14.
8. Теличко, Л.Я. Влияние размагничивания асинхронного двигателя на точность определения момента асинхронным двигателем [Текст] / Л.Я. Теличко, А.А. Цыков // Сборник статей научно-технической конференции кафедры электропривода. – Липецк: ЛГТУ, 2009. – С. 47-49.
Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: [1] – произведен анализ статистических данных о количестве и характере неисправностей в асинхронных двигателях и машинах постоянного тока; [2] - рассмотрены способы использования энергии в звене постоянного тока преобразователя частоты, генерируемой асинхронным двигателем; [3] - рассмотрен метод определения параметров асинхронного двигателя во всем диапазоне изменения основного магнитного потока и скорости вращения; [4] - произведена оценка энергетических показателей нагружающего устройства, управление электрическими машинами в котором осуществляется от транзисторных инверторов с общим звеном постоянного тока; [6] - рассмотрен способ управления преобразователем частоты с помощью персонального компьютера через интерфейс RS485; [7] - разработана система управления нагружающего устройства, имеющая высокие энергетические показатели и отвечающая требованиям техники безопасности при проведении испытаний асинхронных двигателей; [8] - предложена методика расчета электромагнитного момента двигателя на основании результатов опытов холостого хода и работы под нагрузкой.
