Автореферат - ЮУрГУ

На правах рукописиНестеров Александр СергеевичДРОССЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДС УЛУЧШЕННЫМИ МАССОГАБАРИТНЫМИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИИ ПОВЫШЕННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮСпециальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукЧелябинск – 2009

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленныхустановок» государственного образовательного учреждения высшегопрофессионального образования «Южно-Уральский государственный университет».Научный руководитель − доктор технических наук, профессорГафиятуллин Рафаиз Хазеевич.Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессорВоронин С.Г.;доктор технических наук, профессорКарандаев А.С.Ведущая организация − Южно-Российский государственный техническийуниверситет (Новочеркасский политехническийинститут), г. Новочеркасск.Защита состоится 26 февраля 2009 г., в 10 00 часов, в ауд. 1001 на заседаниидиссертационного совета Д212.298.05 при Южно-Уральском государственномуниверситете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76,ЮУрГУ.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральскогогосударственного университета.Автореферат разослан «___»_______ 2009 г.Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения,просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина,76, гл. корпус, диссертационный совет Д212.298.05, тел./факс 8 (351) 267-96-90,e-mail: nas_2004@mail.ru, allnest@rambler.ru.Ученый секретарь диссертационного советадоктор технических наук, профессорУсынин Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы обусловлена необходимостью создания асинхронныхэлектроприводов, в частности, для крановых механизмов, с включением вроторную цепь дросселя с силовым вентильным преобразователем и системойуправления, обладающих улучшенными массогабаритными показателями в сочетаниис повышенными энергетическими характеристиками и производительностью.В направлении развития электроприводов данного класса, получивших название«дроссельный асинхронный электропривод» (ДЭП), работает ряд организаций,таких как: ООО «Горнозаводское объединение» (г. Челябинск), Липецкийметаллургический завод, и другие. ООО «Горнозаводское объединение»за период с 1996–2008 г. установило по России и странам ближнего зарубежьяболее 7000 ДЭП. В настоящее время это предприятие работает с 22 крановымизаводами по России и странам ближнего зарубежья (Кировским заводом железнодорожныхкранов, Нязепетровским заводом башенных кранов, Харьковскимзаводом ПТО, заводом «НКМЗ» г. Новокраматорск, Павлодарским крановымзаводом, Ташкентским заводом «Подъемник» и др.).Интерес к ДЭП, несмотря на потери энергии скольжения, не снижается, таккак они позволяют получить низкие скорости при выборе слабины канатов,низкие посадочные скорости и сверхнизкие скорости для точной остановкикрановых механизмов. Кроме того, ДЭП по сравнению с частотнорегулируемымиэлектроприводами имеют более широкий температурный диапазонэксплуатации, менее критичны к параметрам агрессивности окружающейсреды и, в силу простоты своей технической реализации, не требуют высокогоуровня квалификации обслуживающего персонала.Большой вклад в исследование и развитие ДЭП внесли ученые МЭИ,МГТУ им. Носова, кафедры электропривода Южно-Уральского государственногоуниверситета (ЮУрГУ) и др.Несмотря на большой объем проведенных работ в области ДЭП, вопросыконструирования электроприводов, включающих в себя дроссель и обладающихулучшенными массогабаритными и энергетическими показателями, а такжевопросы расширения функциональных возможностей ДЭП требуют болеевнимательного рассмотрения.Целью работы является улучшение массогабаритных и энергетическихпоказателей ДЭП и повышение его производительности при работе в установившихсярежимах.Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:− создание математической и компьютерной моделей для исследования тепловыхпроцессов, протекающих в дросселе при работе в составе ДЭП;− создание ДЭП с улучшенными массогабаритными показателями при заданныхэлектромагнитных и тепловых характеристиках, диктуемых техническимитребованиями к электроприводу;− разработка алгоритма, математической и компьютерной моделей для исследованиярежимов ограничения токов статора и ротора двигателя ДЭП при3

его переходе с дроссельной механической характеристики на естественную механическуюхарактеристику электродвигателя;− создание регулятора ограничения токов статора и ротора ДЭП при еговыходе на естественную двигательную характеристику для обеспечения повышеннойпроизводительности электропривода в целом.Методы исследования. Поставленные задачи в диссертационной работерешаются с использованием теории электропривода, автоматического управления,индукционного нагрева, методов математического моделирования и анализа.Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждаетсякорректным использованием методов расчета статических и динамическихпроцессов в математических и компьютерных моделях при общепринятых допущениях,удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальныхрезультатов, а также результатами промышленного внедрения и эксплуатациидроссельных электроприводов с улучшенными массогабаритными иэнергетическими показателями и повышенной производительностью.Научная новизна работы1. Впервые для дроссельных электроприводов разработана методика расчетатепловых процессов в дросселе, на основе которой созданы математическаяи компьютерная модели, позволяющие улучшить массогабаритные показателиэлектроприводов данного класса.2. Разработаны теоретические основы расчета допустимой мощности дросселяс учетом требований, предъявляемых к ДЭП.3. Впервые для ДЭП разработаны математическая и компьютерная моделирасчета улучшенных массогабаритных и энергетических показателей дросселейс учетом заданных электромагнитных и тепловых характеристик, диктуемыхтехническими требованиями к электроприводу4. Предложена структура и разработана математическая и компьютернаямодели нового пускорегулирующего устройства, обеспечивающего повышениепроизводительности механизма и снижение потерь в ДЭП при его работе в установившихсярежимах.Практическая ценность работы заключается в следующем:1. Разработана программа расчета тепловых характеристик дросселя приработе в составе электропривода с учетом электромагнитных и массогабаритныхпоказателей дросселей, а также проведены экспериментальные исследованиятепловых характеристик серийных дросселей;2. Созданы программы расчета электромагнитных и массогабаритных показателейи проверочного расчета допустимой мощности дросселей для работыв составе асинхронного электропривода, обеспечивающие улучшение техническиххарактеристик электроприводов данного класса (Патент РФ № 2300169);3. По результатам проведенных исследований получены рекомендации поулучшению массогабаритных и электромагнитных показателей дросселей. Врезультате созданы каталоги серийных дросселей, выпуск которых осуществляетсяООО «Горнозаводское объединение»;4

4. Созданы и внедрены на производстве ДЭП с улучшенными энергетическимии массогабаритными показателями, обладающие повышенной производительностью(Патенты РФ № 55229 и № 2311725).Научные положения и результаты, выносимые на защиту1. Математическая модель и программа расчета электромеханических характеристикДЭП с пускорегулирующим устройством в роторной цепи.2. Метод и программа расчета дросселей для ДЭП с улучшенными электромагнитнымии массогабаритными показателями.3. Методика, математическая и компьютерная модели, а также программарасчета тепловых характеристик дросселя в составе асинхронного электропривода.4. Структура пускорегулирующего устройства, повышающего производительностьДЭП.Апробация работы. Основные теоретические положения и результатыдиссертационной работы докладывались и обсуждались на:- международной конференции «Проблемы производства и безопаснойэксплуатации подъемных сооружений в Украине и России» (Украина, Одесса,2005 г.);- 13-й и 14-й международных научно-технических конференциях«Электроприводы переменного тока» (Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2005, 2007);- Всероссийской конференции-конкурсе инновационных проектовстудентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы«Энергетика и ресурсосбережение» (Томск, ТПИ, 2006 г.);- международной одиннадцатой конференции «Электромеханика,электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», МКЭЭЭ-2006 (ICEEE-2006), (Крым, Алушта, 2006 г.);- научно-практической конференции «Современные методы и средстваавтоматического управления техническими объектами» (Челябинск, 2006 г.);- международной научно-практической конференции «Эффективностьсистем энергосбережения», (Челябинск, 2007 г.).Публикации. По теме дисертации опубликовано 11 печатных работ в периодическихизданиях, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованныхВАК, сборниках научных трудов и сборниках тезисов докладов научнотехническихконференций. На оригинальные технические решения получены 4патента РФ.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти главосновного текста объемом 138 страниц, заключения, списка литературы из 176наименований, 2 приложений. Общий объем диссертации 167 страниц, включая64 рисунка и 36 таблиц.Автор выражает благодарность научным консультантам Борисову АлександруМихайловичу и Драчеву Геннадию Ивановичу за помощь при завершенииработы над диссертацией.5

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачиисследований, приводятся основные положения и результаты, выносимыена защиту, отмечается их новизна и практическая значимость. Приводятся сведенияо внедрении результатов работы и публикациях.В первой главе проведен обзор основных схем, применяемых для регулированиякоординат электропривода переменного тока с асинхронным двигателемс фазным ротором (АДФР). Рассмотрен дроссель как средство формированиятребуемых электромеханических свойств асинхронного электропривода.Проведен обзор современного состояния и перспектив развития ДЭП. Показананеобходимость создания методов расчета мощности, массогабаритных иэлектромагнитных параметров дросселей, используемых в ДЭП, а также разработкии технической реализации алгоритмов повышения производительностиДЭП.Создание таких методов и алгоритмов невозможно без дополнительныхтеоретических и экспериментальных исследований.Во второй главе рассмотрены физические основы работы дросселя в переменномпо частоте и амплитуде электромагнитном поле. Произведена оценкавлияния на величину сопротивления дросселя различных факторов.За основу при расчете сопротивления магнитной цепи дросселя было принятоследующее выражение:l 2 ⋅π⋅ f ⋅γoj59Z m = 0,86 ⋅⋅ e , (1)π ⋅ D µ ⋅ µ0где l – длина сердечника дросселя, D – внешний диаметр сердечника дросселя,γ − удельная электрическая проводимость материала трубы, 1/Ом·м, µ − относительнаямагнитная проницаемость на поверхности магнитопровода дросселя,определяемая по кривой намагничивания;Рассмотрены магнитные характеристикисталей, используемыхпри изготовлении сердечников(рис. 1). Для удобства работы сданными была проведена аппроксимациязависимости магнитнойпроницаемости µ от напряженностимагнитного поля Н выражением1µ = , (2)a + b ⋅ Hгде a и b – экспериментальные коэффициенты.Рис. 1. Магнитная характеристика стали:экспериментальная 1 и расчетная 26

На основе выражений (1) и (2) и экспериментальных исследований полученовыражение для расчета полного электрического сопротивления дросселя:−623,62 ⋅10⋅ f ⋅ w ⋅ DZ ДР=b ⋅ I2⋅ w. (3)l ⋅ f ⋅ ( a + )lЗдесь w – число витков обмотки дросселя, f – частота тока, протекающегопо обмотке дросселя.Для проверки адекватностиполученного выражения были проведеныэкспериментальные исследования(рис. 2 и 3). Результатыэкспериментальных исследованийпозволяют сказать о достаточнойточности полученного выражениядля расчета сопротивления.Рис. 2. Расчетные и экспериментальные зависимостисопротивления дросселя Z ДР от частоты fРис. 3. Зависимость сопротивления Z ДР от тока IТакже рассмотрено влияниеследующих факторов на полное иактивное сопротивления дросселя:– наличие разреза на сердечнике(рис. 4);– материал обмотки дросселя(рис. 5);– температура сердечникадросселя (рис. 6).На основе полученных результатовопределено, что продольныйразрез сердечника увеличивает величинусопротивления дросселя на25–35 %, а замена медной обмотки алюминиевой дает увеличение сопротивленияна 5–10 %. Полученные результаты в дальнейшем были учтены при изготовлениисерийных дросселей.Рис. 4. Влияние разреза сердечника на величинуполного Z ДР и активного R ДР сопротивлений(сплошная линия – разрезанный сердечник дросселя,пунктирная – сплошной сердечник)Изучение влияния нагрева показало, что нагрев дросселя увеличивает егосопротивление на 20–30 %, кроме того, определено, что наибольшее влияние7Рис. 5. Влияние материала обмотки на величинуполного Z ДР и активного R ДРсопротивлений (сплошная линия – алюминиеваяобмотка, пунктирная – медная)

оказывается на дроссели с цельным сердечникоми медной обмоткой, а наименьшее –с разрезанным сердечником и алюминиевойобмоткой. Это необходимо учитывать привыборе температурного режима дросселя.В третьей главе рассмотрены тепловыепроцессы, протекающие в дросселе приего работе в составе ДЭП.При разработке математической моделитепловых процессов в дросселе была использованадвухмассовая тепловая модель,учитывающая следующие допущения:1) сердечник и обмотка дросселя –сплошные однородные тела, имеющие одинаковую температуру во всех своихРис. 6. Влияние температуры дросселя навеличину полного Z ДР и активного R ДР сопротивлений(сплошная линия – «холодный»дроссель, пунктир – «горячий»), описываются уравне-точках. Теплоемкости сердечника СС и обмоткиниями:СС= СС⋅V,0 C⋅ νCС = С ⋅V⋅ νСОБМ0ОБМСОБМОБМ,где СС , С0 ОБМ – удельная теплоемкость соответственно материала сердечника0и обмотки, Дж/кг·ºС.2) температура окружающей среды – постоянна и не зависит от количестватеплоты, отдаваемой дросселем;3) при теплопередаче в окружающий воздух производится учет только теплопередачиза счет конвекции и не учитывается излучение;4) тепловые потери, теплоемкость дросселя и коэффициенты теплоотдачине зависят от его температуры;5) соединительные конструкции дросселя не учитываются при расчете;6) температура сердечника всегда больше температуры обмотки дросселя;Определены основные пути распределения тепла в дросселе:1) нагрев сердечника за счет вихревых токов и явления гистерезиса;2) нагрев обмотки дросселя за счет электрических потерь в ней;3) передача теплоты от сердечника в окружающий воздух;4) нагрев обмотки со стороны сердечника посредством теплопередачи;5) передача теплоты от обмотки в окружающий воздух.Разработаны физические модели дросселя (рис. 7).На основе системы уравнений⎧Р= Р + Р⎪⎪P⎨P⎪⎪P⎩ИРСdτ= СС⋅dt= АС−ОБМОБМС+ РСС−ОБМОБМ+С−ОБМАС⋅ τ= С⋅ τС−ОБМОБМС+ Рdτ⋅dtС−ОБМОБМ+АОБМ⋅ τОБМ(4), (5)8

где Р С , Р ОБМ и Р С-ОБМ – мощность потерь в стали сердечника, мощность потерь вобмотке и мощность, затрачиваемая на нагрев обмотки со стороны сердечника,С С и С ОБМ – теплоемкости сердечника и обмотки, А С , А ОБМ и А С-ОБМ – теплоотдачисердечника и обмотки в окружающую среду и от сердечника к обмотке,τ С =Т С – Т ОС , τ ОБМ = Т ОБМ – Т ОС и τ С-ОБМ = τ С – τ ОБМ – перегрев сердечника относительноокружающей среды, обмотки относительно окружающей среды и сердечникаотносительно обмотки, составлено уравнение теплового баланса:dτСdτОБМPИР= СС⋅ + АС⋅ τС+ СОБМ⋅ + АОБМ⋅ τОБМ. (6)dtdtа) б)Рис. 7. Физическая двухмассовая тепловая модель дросселя:а) с трубчатым сердечником; б) с пластинчатым сердечникомНа основе системы уравнений (5) составлена энергетическая диаграммадросселя и структурная схема математической модели тепловых процессов,протекающих в дросселе (рис. 8).Расчет теплоотдачи А обмотки и сердечника ведется по следующим формулам:A = α ⋅ S , α=ε⋅λК f12 П ,Рис. 8. Структурная схема модели тепловых процессовв дросселеδ92⋅εК⋅λfα12Ц=. (7)d ⋅ln(d / d )121Здесь α – коэффициент теплоотдачи,S – площадь поверхности нагретоготела, с которой осуществляетсятеплопередача, ε К = λ ЭК /λ f = f(Gr·Pr) f– коэффициент конвекции, δ – толщинапрослойки, λ ЭК – эквивалентнаятеплопроводность, λ f – теплопроводностьохлаждающей среды в прослойкепри среднеарифметическойтемпературе стенок.На основе математического описанияи структурной схемы в программномпакете MatLab 6.5 + Simulink4.5 была разработана модель,описывающая тепловые процессы, протекающие в дросселе.Разработанная модель позволяет рассчитывать теплоемкости, коэффициентытеплоотдачи, значения температуры обмотки и сердечника.В ходе экспериментальных исследований проведена проверка адекватностиразработанной математической модели реальному объекту. Проведены тепловыеиспытания экспериментального макета дросселя, а также шести типономиналовдросселей, выпускаемых ООО «Горнозаводское объединение». Погрешностьрасчетов составляет не более 5–10 % (рис. 9).

а) б)Рис. 9. Результаты экспериментальных исследований и компьютерного моделирования тепловых процессов,протекающих в дросселях: а) ДПД-4; б) макетный дроссельВ ходе экспериментов и моделирования на ПЭВМ получены следующиерезультаты:– температура сердечника превосходит температуру обмотки в среднем1,5–1,7 раза;– воздушный промежуток между обмоткой и сердечником ведет к увеличениюразницы между температурами обмотки и сердечника;– при нагреве происходит увеличениеполного и активного сопротивления дросселя.Этот эффект негативно сказывается навеличине пускового момента и тока электродвигателя,уменьшая их значения.В четвертой главе рассмотрены вопросывыбора серийного дросселя и методикарасчета улучшенных показателейдросселя.Выбор серийного дросселя предлагаетсяпроизводить по составленному в ходеработы каталогу. Проведенные исследованияпоказали, что погрешность составляет10–15 %.При отсутствии в каталоге дросселя стребуемыми параметрами предлагаетсяпроизводить расчет дросселя, обладающегонаилучшими массогабаритными и электрическимипоказателями.В качестве основных критериев улучшенияпараметров дросселей используютсяследующие характеристики:– пусковой момент, необходимый дляРис. 10. Зависимости М П = f (Z ДР ) и I 2П = f(Z ДР ) для расчета оптимального сопротивлениядросселя для электродвигателя4MTH200L6обеспечения требуемых показателей пускотормозныхрежимов (времени пуска, ускоренияи т.д.);10

– минимальные значения токов статора и ротора, обеспечивающие снижениенагрева двигателя в пускотормозных режимах;– минимальные габаритные размеры и минимальная масса дросселя и ДЭПв целом.Расчет параметров дросселя предлагается проводить в следующей последовательности:1. Расчет величины сопротивления дросселя Z ДРЖ , обеспечивающего требуемыйпусковой момент. Для этого построены на основе известных выраженийзависимости М П = f(Z ДР ) и I 2П = f(Z ДР ). Определяется величина сопротивлениядросселя Z ДРЖ , необходимого для создания требуемого пускового моментаМ ПЖ и ограничения пускового тока;2. Расчет пусковых значений токов статора и ротора при требуемом пусковоммоменте М ПЖ ;Рис. 11. Зависимости P ДОП = f (m ДР )для сердечников различного диаметраРис. 12. Зависимости Z ДР = f (w)при фиксированном токе и соотношениях L/D3. Расчет тепловых характеристик проектируемого дросселя.На основе разработанной математической модели определена зависимостьмаксимальной рассеиваемой дросселем мощности от массы его сердечникаР ДОП = f(m ДР ) (рис. 11).4. Проектирование магнитной системы дросселя (расчет габаритных размеровпроектируемого дросселя).Пользуясь выражением (3) были построены кривые (рис. 12), описывающиезависимость сопротивления дросселя от числа витков его обмотки при постоянномзначении тока, протекающего по ней и равном пусковому, и постоянныхзначениях L/D.Из полученных графиков для каждого диаметра сердечника и конкретнойвеличины сопротивления дросселя определяется число витков обмотки, габаритныеразмеры и масса дросселя, а также рассчитываются конструктивные коэффициентыК1 и К2 и определяется длина обмоточного провода и активноесопротивление обмотки.С помощью графиков на рис. 11 определяется допустимая мощность дросселя.5. Расчет сечения обмоточного провода проектируемого дросселя.6. Расчет механических и электромеханических характеристик (рис. 13).11

Расчет характеристик ведется по Т-образной схеме замещения электродвигателя,учитывающей сопротивление дросселя Z ДР :2К1⋅f ⋅ woj 40ZДР= ⋅ e . (8)1 + К 2 ⋅ I ⋅ w)Из рис. 13 видно,что величина пусковогомомента отличаетсяот заданногоне более чем на 10 %.7. Расчет энергетическихпоказателейпроектируемых дросселейи ДЭП в целом.Рис. 13. Механические и электромеханические характеристики ДЭП Поверочный расчетдросселя.Дроссель входит в состав электропривода, работающего без четкого циклическогорежима работы. Поэтому первоначально необходимо провести поверочныйрасчет электродвигателя. Основываясь на рекомендациях по продолжительностициклов работы, числу циклов в час и продолжительности работы припроведении поверочного расчета выполняются следующие действия:а) рассчитывается предельная величина энергии, выделяющейся в двигателеза 1 час работы с номинальной нагрузкой при ПВ=40%:∆ W = 1440 ⋅(3⋅I2⋅r+ 3⋅I2⋅r), (9)40%1Н40% 1 2Н40% 2где 1440 с – длительность работы за 1 час при ПВ=40%;б) выбирается усредненный режим работы:– количество циклов за час равно 30;– продолжительность цикла принимается равной 120 с, время работы приПВ=40 % равно 48 с.– число включений равно 9, продолжительность включения – 5,3 с (рис.14).На участке I происходит выбор слабины канатов (в толчковом режиме), затемидет разгон двигателя (участок II), установившийся режим (участок III) иторможение противовключением (участок IV);в) Рассчитываются потери энергии завремя t вкл для двигателя и дросселя:∆W= ∆W+∆W= ∆Р⋅t,ДВ 1 2 ДВ вкл (10)∆W= ∆Р⋅t,Рис. 14. Процесс работы в течение одноговключения с выбором слабины каната приt вкл =5,3 с122ДРДРвклгде ∆W ДВ , ∆W ДР – энергия потерь за принятыйцикл в двигателе и дросселе соответственно,∆W 1 , ∆W 2 – энергия потерь запринятый цикл в статоре и роторе двигателя,∆Р ДВ и ∆Р ДР – потери в двигателе и

дросселе соответственно, t вкл – время одного включения;г) определяется число включений h, время цикла t Ц и продолжительностьвключения ПВ;д) рассчитываются значения токов статора и ротора при рассчитанной ПВ;е) при ПВ, отличной от 40 % снижается величина допустимого статическогомомента. По формуле (11) определяется, на сколько уменьшается допустимаямощность на валу:PН40%− РВРMН 40%⋅ ωН40%− MР⋅ ωР∆ ==; (11)РН40%MН 40%⋅ ωН40%ж) рассчитывается энергия, выделяющая в течение 1 часа и допустимаямощность дросселя:1час∆W1 час = h⋅∆W,∆WДРДРДРР = . (12)ДОП3600С помощью математической модели тепловых процессов рассчитываетсянагрев сердечника и обмотки. Если нагрев сердечника превышает 250 °С, а нагревобмотки – 180 °С соответственно, то изменяется масса дросселя и расчетповторяется. В соответствии с выражением (12) определяется допустимая мощностьдросселя Р ДОП . С помощью графиков Р ДОП = f(m ДР ) заново определяетсямасса дросселя, его конструктивные параметры. Заново проводится расчет механическихи электромеханических характеристик привода, а также поверочныйрасчет дросселя. Расчет должен проводиться до достижения заданных параметровдросселя и удовлетворения требований по нагреву.Если же нагрев сердечника не превышает 250 °С, а нагрев обмотки – 180°С соответственно, то расчет считается оконченным. Результатом расчета параметровдросселя должны быть конструктивные параметры дросселя, а такжевеличина снижения допустимой мощности электродвигателя при ПВ=40%, т.е.величина снижения статической нагрузки.8. Конструктивная проработка проектируемого дросселяНа последнем этапе детально прорабатывается конструкция дросселя исходяиз механической прочности и других критериев.На рис. 15 приведен алгоритм выполнения расчета.Пятая глава посвящена разработке, математическому описанию и экспериментальномуисследованию пускорегулирующего устройства, позволяющегобез существенных бросков момента и токов статора и ротора вывести ДЭП сдроссельной механической характеристики на механическую характеристику,близкую к естественной двигательной. Это благоприятно сказывается на работемеханизмов, технологический процесс которых включает в себя перемещениена большие расстояния с максимально возможной скоростью (грейферные краны,бурильные установки и др.).Разработанное устройство РСТ05-В, включает в себя систему управленияСУ и блок БТ соединенных в треугольник силовых тиристоров VSА, VSВ и VSС,подключенный к кольцам ротора асинхронного электродвигателя М1 и дросселюДр (рис. 16). СУ формирует сигналы управления тиристорами БТ и включа-13

Рис. 15. Алгоритм расчета параметров дросселяет в себя источник питания (ИП), блоки задания напряжений (БЗН), интегрирования(БИ), понижающие трансформаторы, по 3 блока (пофазно) выделения положительнойполуволны напряжения (ВП), формирования пилообразных напряжений(ФПН), формирования управляющего импульса (ФУИ). При этом работаустройства происходит только при наличии питания статорной цепи электродвигателя.Идея работы устройствазаключается в следующем.При подаче питанияна статорную цепьпроисходит пуск электродвигателяс дросселем вроторной цепи. Тиристорыпри этом заперты и напуск электродвигателя сдросселем не оказываютникакого влияния. По мереразгона двигателя напряжениена кольцах роторападает и при достижениизаданного уровня(порогового напряженияU ПОР ) вступает в работуРСТ05-В, СУ которогоформирует угол открытиятиристоров близкий к180º. Затем угол открытиятиристоров плавноуменьшается до 0º, замыкаякольца ротора. Темпоткрытия тиристоровможно устанавливать взависимости от требованийтехнологическогопроцесса.На рис. 17 представленымеханические иэлектромеханические характеристикиДЭП сРСТ05-В. Механическая дроссельная характеристика 1 в рабочей зоне имеетжесткость меньше, чем на естественной механической характеристике 2 (рис.17а). Поэтому скорость при статическом моменте М СТ на дроссельной характеристикеω Д на 10–15% ниже, чем скорость ω Е на естественной характеристике.14

Рис. 16. Функциональная схема роторной цепи электродвигателяс пускорегулирующим устройством РСТ05-ВПри пуске электродвигателя разгон на первом этапе идет по характеристике1 до скорости пороговой ω ПОР (т. А на рис.17). Значение скорости ω ПОРустанавливается при предварительной настройке регулятора. До этой скороститиристоры РСТ05-В закрыты. При превышении скоростью значения ω ПОРРСТ05-В вступает в работу.В функции времениплавно открываютсятиристоры БТ идальнейший разгонидет по промежуточной(штриховой) характеристике3. Поокончанию пуска тиристорыБТ полностьюоткрыты, кольца роторазамкнуты тиристорами.При этомэлектропривод работаетна характеристике 4, близкой к естественной механической. При одном и тома) б)Рис. 17. Механические а) и электромеханические б) характеристикиДЭП с РСТ05-В в роторной цепи15

же статическом моменте нагрузки М СТ ток статический I E при завершении пускана естественной характеристике (рис. 17б) меньше, чем ток I Д на дроссельнойхарактеристике. Это обусловлено тем, что на естественной характеристикев установившемся режиме частота тока в роторной цепи меньше, чем на дроссельнойхарактеристике, и ток ротора становится более активным. Поэтому наестественной характеристике тот же М СТ создается при меньшем значении токаротора. Таким образом, разработанное устройство РСТ05-В не только обеспечиваетработу электропривода на максимальных скоростях, чем увеличиваетпроизводительность, но и облегчает тепловой режим работы электродвигателяи уменьшает расход электроэнергии.На рис. 18 представлены экспериментальные осциллограммы изменениятока ротора I Р , частоты вращения вала электродвигателя ω и тока статора I С вовремени при пуске с моментом М СТ , равным 0,75 от момента номинального М Н .а) б)Рис. 18. Осциллограммы тока ротора I Р , тока статора I С и частоты вращения ωВидно, что броски токов статора и ротора электродвигателя при работеустройства практически не превышают бросков в первый момент подачи напряженияна статор электродвигателя.Лабораторные и производственные испытания показали работоспособностьразработанного устройства РСТ05-В.На основе разработанного математического описания проводится расчетхарактеристик ДЭП с пускорегулирующим устройством в роторной цепи.При расчете приняты следующие допущения:– к входам обмоток фаз ротора приложена ЭДС ротора синусоидальнойформы;– каждый тиристор в фазах роторной цепи заменен на резистор сопротивлениемrt. Это сопротивление, в зависимости от того, открыт тиристор или закрыт,принимает значение:rt=0,001 Ом (тиристор открыт);rt=100 кОм (тиристор закрыт).Схема замещения с учетом допущений представлена на рис. 19.16

Здесь Uab, Ubc, Uca – напряжения на кольцах ротора;Для схемы записывается система уравнений для статора и ротора:⎧dΨ⎪ A⎧dΨаdΨb''= u −i⋅r⎪A A 1⎪dt⎪− = ia⋅r2+ ita⋅rta−ib⋅r2,dt dt⎪dΨ⎪BdΨbdΨc''⎨ = u −i⋅rB B 1 ⎨ − = ib⋅r2+ itb⋅rtb−ic⋅r2, (13)⎪ dt⎪dΨ⎪dt dt⎪ CdΨcdΨa''= u −i⋅r⎪C C⎪ − = ic⋅r2+ itc⋅rtc−ia⋅r2,⎩ dt⎩ dt dtгде u A , u B, u C– мгновенные значения напряжений трех фаз статора; Ψ A, Ψ B, Ψ C,Ψ a, Ψ b, Ψ c– мгновенные значения потокосцеплений фаз статора и ротора соответственно;r 1= r A= r B= r C– активное сопротивление фазы обмотки статора; r 2=′r a= r b= r c– активное сопротивление фазы обмотки ротора; r 2= r 2·k 2 e– приведенноеактивное сопротивление фазы обмотки ротора; r ДР′= r ДР·k 2 e– приведенноеактивное сопротивление фазы дросселя; L ДР– приведенная индуктивностьобмотки дросселя;Решение системы дифференциальных уравнений осуществляется методомРунге-Кутта 4 порядка:Ψ = i ⋅L+ i ⋅M+ i ⋅M+ i ⋅М+ i ⋅M+ i ⋅M,A A 1 B AB C AC а Аа b Аb c AcΨ = i ⋅M+ i ⋅L+ i ⋅M+ i ⋅М+ i ⋅M+ i ⋅M,B A BA B 1 C BC а Bа b Bb c BcΨ = i ⋅M+ i ⋅M+ i ⋅L+ i ⋅М+ i ⋅M+ i ⋅M,Ψ+ iΨ+ iΨ+ iааbаcаCACABCBC1= i ⋅( М аА −MbA ) + i ⋅( M аВ −MbB ) + i ⋅( M аС −Mb ABCbC )( L2−Mba ) + i ⋅( M аb −L2) + i ⋅( M аc −M),bcbc= i ⋅c A( М bА −McA ) + i ⋅B( M bВ −McB ) + i ⋅C( M bС −McC )( M ba −Mca ) + i ⋅( L2−Mcb ) + i ⋅( M bc −L2),bc= i ⋅a A( М cА −MaA ) + i ⋅B( M cВ −MaB ) + i ⋅C( M cС −MaC )( M −L) + i ⋅( M −M) + i ⋅( L −M).− Ψ⋅− Ψ⋅− Ψ⋅caРис. 19. Схема замещения с учетом принятых допущений2bcbabcа172CаacbCbcCc+++(14)Токи, протекающие через тиристоры, находятся по законам Кирхгофа:ita= ia− ida+ itc,itb= ib− idb+ ita,(15)itc= ic− idc+ itb,i ⋅ r + i ⋅ r + i ⋅ r = 0.tatatbtbгде М АВ=М АС=М ВА=М ВС=М СА=М СВ=М 1– взаимные индуктивности между любымидвумя обмотками статора; М аb=М ac=М ba=М bc=М ca=М cb=М 2– взаимные индуктивностимежду любыми двумя обмотками ротора; М Аa, М Аb, М Ac , М Вa , М Bb ,tctc

М Bc , М Ca , М Cb , М Cc– взаимные индуктивности между соответствующими фазамистатора и ротора; М aA, М aB, М aC , М bA , М bB , М bC , М cA , М cB , М cC– взаимные индуктивностимежду соответствующими фазами ротора и статора; L 1, L 2– индуктивностиобмоток статора и ротора соответственно.Для решения уравнений систем (13)–(15) используется метод Крамера. Определяютсятоки i A, i B, i C, i a, i b, i cи токи, протекающие через тиристоры i tra, i trb,i trc.Напряжения на кольцах ротора определяется следующим образом:dΨadΨb' 'Urab= − − ia⋅ r2+ ib⋅ r2,dt dtdΨbdΨc' 'Urbc= − − ib⋅ r2+ ic⋅ r2,(16)dt dtdΨcdΨa' 'Urca= − − ic⋅ r2+ ia⋅ r2.dt dtНапряжение управления каждого из тиристоров будет формируется следующимобразом:⎡UУa≈ UПИТ ⎤ ⎡UПa+ UИa≥ UЗАП ⎤⎢UУb≈ UПИТ⎥ , если ⎢UПb+ UИb≥ UЗАП⎥(17)⎢⎣U ≈ ⎥УcUПИТ ⎦ ⎢⎣U + ≥ ⎥ПcUИcUЗАП ⎦где U ПИТ – напряжение питания, U П – пилообразное напряжение, U И – напряжениена выходе интегратора, U ЗАП – напряжение запирания.Электромагнитный момент асинхронного двигателя определяется по формуле2 ⋅ p ⋅ (( ΨC− ΨB) ⋅ iA+ ( ΨA− ΨC) ⋅ iB+ ( ΨB− ΨA)⋅ iC),М = (18)3 ⋅ 3Экспериментальные и расчетные кривые переходного процесса выходаДЭП с двигателем MTF 111-6 мощностью 3,5 кВт на характеристику, близкую кестественной, представлены на рис. 20.Оценивая полученные результаты, необходимо отметить, что разработаннаямодель достаточно точно отражает процессы, происходящие в ДЭПс пускорегулирующим устройством в роторной цепи. Модель можно рекомендоватьдля расчетов как нерегулируемого, так и ДЭП с РСТ-05В.По итогам работы разработано и внедрено в мелкосерийное производствопускорегулирующее устройство РСТ05-В. Получен патент на полезную модель.Получен диплом победителя первого тура конкурса инновационных проектовстудентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетикаи ресурсосбережение» (г. Томск, 2006 г.)В настоящее время система управления данного устройства успешно реализованана микроконтроллере фирмы ATMEL.18

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследованийрешена актуальная задача улучшения энергетических и массогабаритныхпоказателей ДЭП и повышения его производительности.Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:1. Разработана математическая модель ДЭП с регулятором РСТ05-В вроторной цепи, на основе которой предложена методика расчета характеристикрассматриваемого привода. На основе экспериментальных исследованийпоказана адекватность разработанной модели и методики расчета реальнымпроцессам, протекающим в ДЭП с регулятором РСТ05-В. Сравнениерезультатов экспериментальных и теоретических исследований показало, чтопредложенная методика позволяет рассчитывать статические и динамическиережимы работы такого электропривода с погрешностью 5–10%.2. На основе рассмотрения физических основ работы ДЭП и проведенныхэкспериментальных исследований определены основные аналитическиесоотношения для расчета электромагнитных и конструктивных параметровдросселя для промышленных электроприводов мощностью 5–120 кВт.Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало, что полученноематематическое выражение позволяет рассчитывать сопротивление дросселяпри различных значениях амплитуды и частоты тока, протекающего по егообмотке, с погрешностью 5–10%.3. На основе двухмассовой модели тепловых процессов разработана математическаямодель тепловых процессов, протекающих в дросселе, на основекоторой в пакете MatLab 6.5 + Simulink 4.5 создана компьютерная модель. Экса)б)Рис. 20. Экспериментальные а) и расчетные б) зависимости переходных процессов дроссельногоэлектропривода совместно с РСТ05-ВЗАКЛЮЧЕНИЕ19

периментально доказана их адекватность реальным тепловым процессам, протекающимв дросселе при его работе в составе ДЭП. Сравнение экспериментальныхи расчетных данных показало, что полученная математическая модельпозволяет рассчитывать температуру элементов дросселя при различных значенияхамплитуды и частоты тока, протекающего по его обмотке, с погрешностью5–10%.4. Разработаны методики и программы расчета тепловых и электромагнитныххарактеристик дросселей для работы в составе электропривода, а такжепроверочного расчета допустимой мощности дросселя, позволившие улучшитьмассогабаритные показатели ДЭП на 18–20 %. Предложенные методики позволяютопределить, насколько снижается допустимая мощность электродвигателяпри включении в роторную цепь дросселя. При этом результаты расчета являютсяоснованием для ограничения нагрузок или выбора двигателя большеймощности с последующей проверкой его на нагрев.5. По результатам проведенных исследований разработаны каталоги дросселей,серийный выпуск которых осуществляется ООО «Горнозаводское объединение»,а также даны инженерные рекомендации по улучшению конструктивныхи электрических параметров этих дросселей, позволяющие сократитьсроки проектных работ в среднем в 1,4–1,6 раза. При выборе дросселя из предложенногокаталога погрешность расчета находится в пределах 10–15%. Данныйкаталог рекомендуется для использования при проектировании ДЭП.6. Предложен алгоритм работы регулятора скорости, позволяющего выводитьДЭП на механическую характеристику, близкую к естественной механическойхарактеристике двигателя, обеспечивающий снижение потребленияэлектроэнергии и повышение производительности за счет снижения статическихтоков статора и ротора и повышения статической скорости привода.7. Разработано и внедрено в мелкосерийное производство пускорегулирующееустройство (Патент РФ № 55229, Патент РФ № 2311725), обеспечивающееповышение производительности в зависимости от режима работы электроприводана 12–15 % и снижение потребления электроэнергии на 15–20%.Научные публикации по теме диссертации в изданиях,рекомендованных ВАК1. Борисов, А.М. Пусковое устройство асинхронного электродвигателя /А.М. Борисов, Г.И. Драчев, Н.Е. Лях, А.С. Нестеров, А.Н. Шишков // ВестникЮжно-Уральского государственного университета. Серия «Энергетика». –2005. – Вып. 6, № 9 (49). – С. 79–83.2. Борисов, А.М. Автоматизация режимов работы механизмов подъемакранов с асинхронными электроприводами / А.М. Борисов, Г.И. Драчев, Н.Е.Лях, А.С. Нестеров, А.Н. Шишков // Вестник Южно-Уральского государственногоуниверситета. Серия «Энергетика». – 2006. – Вып. 7. № 10 (50). – С. 3–8.3. Борисов, А.М. Тиристорный регулятор скорости дроссельного асинхронногоэлектропривода с регулируемой жесткостью механической характеристики/ А.М. Борисов, Г.И. Драчев, Н.Е. Лях, А.С. Нестеров, А.Н. Шишков //20

Электромеханика. Известия вузов. – Новочеркасск: ГОУ ВПО ЮРГУ, 2008. –№2. – С. 56–60.Другие научные публикации по теме диссертации4. Борисов, А.М. Лабораторный стенд «Средства автоматизации и управления»/ А.М. Борисов, А.С. Нестеров, А.С. Одинцов // Электроприводы переменноготока: Труды международной 13-й научно-технической конференции. –Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 2005. – С. 341–344.5. Борисов, А.М. Дроссельный асинхронный регулируемый электропривод/ А.М. Борисов, Г.И. Драчев, Н.Е. Лях, С.А. Фомин, А.Н. Шишков, А.С. Нестеров,А.А. Васькин, В.И. Ильинов // Подъемные сооружения. Специальная техника.– 2005. – №10. – С. 14–17.6. Борисов, А.М. Тиристорный регулятор скорости дроссельного асинхронногоэлектропривода / А.М. Борисов, Г.И. Драчев, Н.Е. Лях, А.С. Нестеров,А.Н. Шишков // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб.науч. тр. вып. 12 / под ред. С. И. Лукьянова. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУим. Г. И. Носова», 2006. – С. 218–222.7. Нестеров, А.С. Расчет параметров индуктивного реостата дроссельногоасинхронного электропривода / А.С. Нестеров // Труды XI-й Международнойконференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалыи компоненты», МКЭЭЭ-2006 (ICEEE-2006), часть II. – М: ГОУ ВПОМЭИ (ТУ), 2006. – С. 39–40.8. Нестеров, А.С. Моделирование электромагнитных процессов в индуктивномреостате при пуске асинхронного двигателя с фазным ротором. Оптимизацияпараметров индуктивного реостата / А.С. Нестеров // Конкурс грантовстудентов, аспирантов и молодых ученых вузов Челябинской области: сборникрефератов научно-исследовательских работ аспирантов. – Челябинск: Изд-воЮУрГУ, 2006. – С. 154.9. Нестеров, А.С. Устройство выхода на естественную характеристику РСТ05-В / А.С. Нестеров // Труды Всероссийской конференции – конкурса инновационныхпроектов студентов и аспирантов по приоритетному направлениюПрограммы «Энергетика и ресурсосбережение». – Томск: Изд-во ТПУ, 2006. –С. 98–104.10. Борисов, А.М. Математическая модель асинхронного электроприводас нелинейным сопротивлением в цепи ротора / А.М. Борисов, Г.И. Драчев,Н.Е. Лях, А.С. Нестеров, А.Н. Шишков // Электроприводы переменного тока:Труды международной 14-й научно-технической конференции. – Екатеринбург:ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. – С. 189–192.11. Нестеров, А.С. Моделирование тепловых процессов в индуктивномреостате (дросселе) в пуско-тормозных и установившихся режимах работы. Оптимизацияконструктивных параметров дросселя / А.С. Нестеров // Конкурсгрантов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Челябинской области:сборник рефератов научно-исследовательских работ аспирантов. – Челябинск:Изд-во ЮУрГУ, 2007. – С. 138.21

Патенты12. Патент РФ № 55229, МПК 7 Н02Р 5/40, 7/62. Устройство пуска асинхронногоэлектродвигателя с фазным ротором / А.М. Борисов, Г.И. Драчев, Н.Е.Лях, А.С. Нестеров, А.Н. Шишков; заявл. 10.01.06; опубл. 27.07.06, бюл. № 21.– С. 6: ил. 1.13. Патент РФ № 2300169, МПК 7 Н02Р 25/26. Способ и устройство управленияасинхронным двигателем с фазным ротором / А.М. Борисов, Г.И. Драчев,Н.Е. Лях, А.С. Нестеров, А.Н. Шишков; заявл. 10.01.06; опубл. 27.05.07, бюл.№ 15. – С. 8: ил. 3.14. Патент РФ № 2311724, МПК 7 Н02Р 25/26. Способ управления асинхроннымэлектродвигателем с фазным ротором / А.М. Борисов, Г.И. Драчев,Н.Е. Лях, А.С. Нестеров, А.Н. Шишков; заявл. 25.06.06; опубл. 27.11.2007, бюл.№ 33. – С. 8: ил. 4.15. Патент РФ № 2311725, МПК 7 Н02Р 25/26. Способ управления автоматизациейпуско-тормозных режимов дроссельного асинхронного электропривода/ А.М. Борисов, Г.И. Драчев, Н.Е. Лях, А.С. Нестеров, А.Н. Шишков; заявл.24.06.06; опубл. 27.11.2007, бюл. № 33. – С. 8: ил. 7.22

Нестеров Александр СергеевичДРОССЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С УЛУЧШЕННЫМИМАССОГАБАРИТНЫМИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИИ ПОВЫШЕННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮСпециальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукИздательство Южно-Уральского государственного университетаПодписано в печать 16.01.2009. Формат 60×84 1/16. Печать трафаретная.Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 9/1.Отпечатано в типографии Издательства ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск,пр. им. В.И. Ленина 76.