Электромеханические системы. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Оценка состояния силовых трансформаторов на основе анализа данных технической диагностики
Статья научная
В статье показаны возможности оценки технического состояния силовых маслонаполненных трансформаторов на основе данных технической диагностики методом Байеса. Анализ проводится на основе экспертных оценок с помощью функций принадлежности, на основе которых производится расчет вероятностей проявления (не проявления) различных состояний силовых трансформаторов. В настоящей работе предлагается использование математического аппарата, разработанного на основе синтеза нечётких лингвистических переменных и количественных характеристик диагностируемого оборудования. Достоверность предложенного метода подтверждается соответствующими расчётными результатами, демонстрирующими адекватное поведение модели применительно к силовым трансформаторам.
Бесплатно
Статья научная
По своей природе низкочастотные колебания - это нелинейные и нестационарные колебательные процессы, представляющие собой наложение нескольких составляющих движения вращающихся масс в энергорайоне или узле, оказывающих взаимное влияние. При возникновении значительных небалансов мощности в энергосистемах могут возникать циклические низкочастотные колебания частоты с амплитудами более 0,05 Гц. В таких ситуациях крайне важным становится мониторинг эффективности демпферных свойств каждого генератора, которые в значительной степени определяются настройками применяемых системных регуляторов. Для оценки способности синхронного генератора сохранять синхронный режим при отклонении угла нагрузки синхронной машины 0 от некоторого установившегося значения θ 0 на некоторую величину Δθ используют синхронизирующий момент ∂M/∂θ и, соответственно, удельную синхронизирующую мощность ∂P/∂θ. В статье представлены способы определения угла нагрузки и, соответственно, удельной синхронизирующей мощности синхронной машины в зависимости от состава имеющихся измерений параметров электрического режима синхронного генератора, оценены основные их достоинства и недостатки.
Бесплатно
Перспективы развития стартер-генераторов для промышленных транспортных средств
Статья научная
Рассматривались требования и особенности эксплуатации основных электротехнических элементов транспортных средств. Приведены технические и эксплуатационные характеристики аккумуляторной батареи, стартера и генератора. Приведен анализ современного состояния стартер-генераторов, указаны их достоинства и недостатки применительно к промышленным транспортным средствам средней мощности. Полученные результаты позволяют определить особенности и оценить возможность реализации стартер-генератора. Показано, что попытка совместить в одном электротехническом комплексе функции стартера и генератора в современных транспортных средствах средней мощности (промышленных тракторах, вездеходах и т. д.) с учетом возможностей современного электрооборудования весьма затруднена и вряд ли рациональна. Решение видится в рамках многосвязных систем электропривода, в частности, на основе дифференциального электропривода с применением планетарных механических передач и синхронных реактивных машин с независимым возбуждением. Описаны основные преимущества и особенности эксплуатации планетарных механизмов. Дана краткая характеристика и обоснование выбора синхронной реактивной машины независимого возбуждения с позиции реализации стартер-генератора для промышленных транспортных средств средней мощности.
Бесплатно
Повышение качества регулирования натяжения полосы агрегата непрерывного горячего цинкования
Статья научная
Объектом исследования является система взаимосвязанных электроприводов технологической зоны агрегата непрерывного горячего цинкования цеха покрытий ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ПАО «ММК»), в частности механическая часть с упругими элементами и системы управления электроприводами. Целями работы являются: исследование существующих рабочих режимов электроприводов основных механизмов технологической и выходной зон агрегата цинкования, выявление способов улучшения работы системы взаимосвязанных электроприводов в статических и динамических режимах, разработка усовершенствованной системы управления, обеспечивающей улучшенные динамические показатели при косвенном регулировании натяжения полосы. Предлагается новая система управления электроприводами технологической зоны с корректирующей обратной связью по скорости. Динамические характеристики традиционной и новой систем исследовались на математической модели электроприводов исследуемого участка агрегата с учетом их взаимосвязи через упругую полосу. Модель учитывает электроприводы: горячая натяжная станция, натяжные станции № 3, 4, 5, 6 и дрессировочная клеть. Каждый электропривод моделируется с учетом механической инерции и системы управления скоростью или моментом. Сравнительный анализ показателей качества регулирования натяжения для указанных систем показал преимущества разработанной системы. Результаты работы могут быть использованы на аналогичных агрегатах непрерывной обработки полосы, в которых присутствуют участки технологической линии со значительной протяженностью полосы между соседними электроприводами.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены пути повышения надежности полупроводниковых преобразователей и электроприводов объектов кислородно-конверторного производства. Получены зависимости надежностных показателей комплекса «Полупроводниковый преобразователь - двигатель» от запаса мощности. Показано, что в синхронном реактивном электроприводе с импульсно-векторным управлением при резервировании полупроводникового преобразователя удается значительно повысить надежностные показатели системы. Предложена математическая модель комплекса «Импульсно-векторная система управления синхронной реактивной машины независимого возбуждения». Рассмотрены результаты математического моделирования синхронного реактивного электропривода с импульсно-векторным управлением: установлена зависимость удельных показателей электропривода от количества фаз.
Бесплатно
Повышение эффективности асинхронных электроприводов с прямым управлением моментом
Статья научная
Дана структура асинхронного электропривода с алгоритмом прямого управления моментом. Изложены особенности классической системы прямого управления. Показано, что в ней из-за невозможности плавного перемещения выходного вектора потокосцепления наблюдаются повышенные искажения кривых тока и напряжения, а это снижает уровень электромагнитной совместимости электроприводов. Описан алгоритм пространственно-векторной (ПВ-) модуляции, приведены математические соотношения, сопутствующие отдельным этапам преобразования переменных в системе управления, изображены временные диаграммы работы автономного инвертора. Выполнено математическое моделирование электропривода с асинхронным двигателем 75 кВт и прямым управлением моментом. Приведены графики линейного напряжения и выходного тока автономного инвертора, а также их спектральные составы для двух схем: с автоматической коммутацией и ПВ-модуляцией. Показано, что в случае с ПВ-модуляцией снижаются пульсации электромагнитного момента, а благодаря однополярности импульсов на полупериоде основной гармоники линейного напряжения существенно снижаются коэффициенты нелинейных искажений тока и напряжения на выходе автономного инвертора.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрена усовершенствованная система автоматического управления перемещением электродов для электродуговых печей (дуговых сталеплавильных печей и установок ковш-печь), обеспечивающая улучшение динамических показателей качества регулирования импеданса вторичного электрического контура за счет использования новой структуры нелинейного адаптивного регулятора импеданса. Благодаря применению усовершенствованной системы управления обеспечивается стабилизация процесса расплавления металлошихты в дуговых сталеплавильных печах, а также процесса нагрева жидкой стали в установках ковш-печь при интенсивных донных продувках, что позволяет достичь технического эффекта по снижению времени работы под током и уменьшению удельного расхода электроэнергии электросталеплавильных агрегатов. Нелинейный адаптивный регулятор импеданса осуществляет полную линеаризацию контуров регулирования, включающих в себя пропорциональный гидрораспределитель (сервоклапан) с нелинейной регулировочной характеристикой и вторичный электрический контур с нелинейной зависимостью импеданса от длины дуги. При проведении исследований использована комплексная математическая модель электрического контура электродуговой печи, гидроприводов перемещения электродов и системы автоматического управления перемещением электродов, реализованная в математическом пакете MATLAB Simulink. Оценка эффективности усовершенствованной системы управления в условиях действующего металлургического производства была выполнена на примере системы управления «РАДУГА НПА ПК», являющейся разработкой специалистов ФГБОУ ВО «МГТУ им. Носова» и функционирующей на установке ковш-печь в электросталеплавильном цехе ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Разработанная усовершенствованная система управления может использоваться на других современных электродуговых печах различной мощности, функционирующих на металлургических предприятиях России и зарубежья.
Бесплатно
Подшипниковые токи приводных машин в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями
Статья научная
Частой проблемой электроприводов с полупроводниковыми преобразователями является ускоренный износ подшипниковых узлов приводного электродвигателя. Такие повреждения вызваны образованием в приводном электродвигателе подшипниковых токов, которое могут оказывать непрерывное или постоянное воздействие на подшипниковые узлы. В данной работе проанализированы причины возникновения подшипниковых токов в приводных машинах современных электроприводов. Выделены и описаны основные виды подшипниковых токов, даны их характеристики. Описан основной негативный эффект и последствия длительного и кратковременного воздействия подшипниковых токов. Приведены основные способы измерения и контроля подшипниковых токов. Описаны способы борьбы с подшипниковыми токами, проанализирована их эффективность, даны рекомендации по их использованию в современных электроприводах. Приведены основные международные нормативные документы, регламентирующие допустимые значения подшипниковых токов и способы борьбы с ними. Даны рекомендации по развитию отечественной нормативной базы по подшипниковым токам. Дальнейшие исследования подшипниковых токов приводных электродвигателей с полупроводниковыми преобразователями частоты будут заключаться в построении математических моделей процессов их возникновения с учетом режимов работы автономного инвертора, электродвигателя и заземления, их анализе путем имитационного моделирования и разработке алгоритмических способов их устранения.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается новая унифицированная конструкция трансформаторно-транзисторного модуля, выполненного по минимальной структуре на одном силовом транзисторе, размещённом в общей для всех фаз трансформатора цепи, позволяющая минимизировать количество силовых полупроводниковых ключей. Данный унифицированный модуль относится к преобразовательной технике, получающей применение в регулируемых электроприводах переменного тока для реализации плавного амплитудного пуска, торможения противовключением, а также осуществления режима позиционирования асинхронных двигателей. Построение ряда асинхронных электроприводов на основе унифицированного трансформаторно-транзисторного модуля позволяет удовлетворить требования энергосбережения, предъявляемые к асинхронным электроприводам при их эксплуатации. Показываются пути уменьшения массо-габаритных показателей вольтодобавочного трансформатора, являющегося конструктивной основой предлагаемого устройства, путём модуляционного устранения сетевой низкочастотной составляющей напряжения в его первичной обмотке. Эффективность данного решения подтверждена анализом экспериментальных графиков прямого и плавного пуска, торможения, а также режима позиционирования асинхронного двигателя в компьютерной программе MATLAB/Simulink. Снижение энергопотребления при пуске, торможении и позиционировании асинхронного двигателя, при использовании унифицированного трансформаторно-транзисторного модуля в качестве основного элемента системы управления электроприводом доказано экспериментальными графиками, полученными в компьютерной программе MATLAB/Simulink.
Бесплатно
Построение системы управления мгновенными значениями тока статора в электроприводе переменного тока
Статья научная
Объектом исследования является энергосберегающая система частотного управления двигателем переменного тока, выполненная на базе инвертора тока с релейными регуляторами тока статора. Область применения - подъемно-транспортное оборудование, а также механизмы циклического действия общепромышленного назначения. Применение современной элементной базы, позволяющей использовать новые алгоритмы управления, расширяет функциональные возможности систем управления двигателем переменного тока и помогает добиться энергосбережения. Разработан и исследован преобразователь частоты с автономным инвертором тока (АИТ) на базе IGBT-транзисторов с дополнительными отсекающими диодами и буферными конденсаторами. Этот преобразователь позволяет получить выходное напряжение, близкое к синусоидальному. Проведен комплекс исследований разработанных систем управления двигателем переменного тока. Они включают в себя аналитические исследования и математическое моделирование. Результаты моделирования совпадают с аналитическими исследованиями и показывают, что система соответствует предъявляемым требованиям и обладает улучшенными энергетическими показателями.
Бесплатно
Предельные характеристики оптико-механических систем со сканированием
Статья научная
Рассмотрен принцип построения оптико-механической системы со сканированием на базе асинх-ронного двигателя, работающего непосредственно в режиме периодического движения за счет фазовой модуляции питающих напряжений. Представлена ее функциональная схема, включающая систему управления электроприводом и оптический коррелятор, позволяющая исключить влияние девиации частоты сети на координатную точность сканатора. Получены аналитические соотношения и определена методика построения предельных характеристик сканирующих систем с учетом кругового электромагнитного поля. Предложено искать предельную характеристику в виде следов на плоскостях, представляющих собой предельные механические, пусковые или характеристики холостого хода.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена задача повышения энергоэффективности систем эксплуатации нефтяных месторождений. Для ее решения предлагается осуществлять нефтедобычу с применением автоматической системы оперативного регулирования режимов работы электроприводов насосных агрегатов нагнетательных и добывающих скважин, основанной на алгоритме оптимизации забойных давлений по критерию минимизации потребления энергии с применением математической модели месторождения, базирующейся на методе электрогидродинамической аналогии (ЭГДА), что в совокупности позволяет производить наиболее энергоэффективную технологию добычи нефти. Дано обоснование применимости метода ЭГДА для создания компьютерных моделей нефтяных месторождений. Проведено моделирование процесса нефтедобычи в разработанной программной модели. Полученные данные сравнены с результатами моделирования на ранее существовавших физических моделях. По результатам исследования сделан вывод о возможности применения метода ЭГДА для создания моделей, участвующих в системе энергоэффективного управления эксплуатацией нефтяных месторождений.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе рассмотрен вопрос количественной оценки эффекта вытеснения тока в шинах, уложенных в пазах электрических машин переменного тока на примере магнитоэлектрического генератора большой мощности. Также указаны основные аспекты, оказывающие влияние на увеличение эффекта вытеснения тока в шинах электрических машин. Приведены примеры расчетов среднего увеличения сопротивления шины по методикам, описанным в классической литературе и проверенных годами при проектировании стандартных электрических машин переменного тока. Также был рассмотрен вопрос моделирования электромагнитных процессов в системе автоматического проектирования ANSYS Maxwell. Особое внимание уделено возможностям программного обеспечения ANSYS Maxwell в части графического представления информации по результатам моделирования работы электромеханических преобразователей. Приведена графическая интерпретация результатов моделирования работы генератора, упрощающая понимание физических основ оговариваемых явлений, а также упрощающих взаимодействие с программным обеспечением. Проведено сравнение двух указанных способов количественной оценки эффекта вытеснения тока на основании экспериментальных данных, полученных силами АО «НПО «Электромашина», снятых с макетных образцов рассчитанного магнитоэлектрического генератора большой мощности. На основании результатов сравнения двух способов количественной оценки эффекта вытеснения тока в обмотке магнитоэлектрического генератора переменного тока сделано заключение о наиболее предпочтительном способе расчета суммарных электрических потерь в обмотках электромеханических преобразователей. Также был рассмотрен вопрос потерь в магнитоэлектрических генераторах большой мощности, существенно влияющих на коэффициент полезного действия электрической машины. Оговорено условие максимального коэффициента полезного действия электрической машины большой мощности.
Бесплатно
Пульсации выпрямленной ЭДС вентильного генератора
Статья научная
Рассмотрены способы снижения пульсаций выпрямленного напряжения вентильных генераторов, построенных на базе синхронных электрических машин, широко применяемых в автономных системах электрооборудования. Произведена систематизация понятий, характеризующих пульсации, выявлены величины, позволяющие получить их количественную оценку. Для этого выполнено сравнение вентильных генераторов, различающихся числом фаз и схемой полупроводникового выпрямителя. Процессы выпрямления рассматривались в режиме холостого хода генераторов. В рассмотрение принимались вентильные генераторы с четным и нечетным числом фаз, якорные обмотки которых образованы трехфазными группами. Рассмотрены однополупериодные и двухполупериодные схемы выпрямления. В качестве параметров, характеризующих пульсации, выбраны: относительный размах значений выпрямленной ЭДС, пульсность и коэффициент пульсации схемы выпрямления, определяемые по общепринятым методикам и соотношениям. По результатам проведенного анализа показано, что качество выпрямленного напряжения при двухполупериодных схемах выпрямления зависит как от количества фаз генератора, так и от того, четным или нечетным является их число, в то время как при однополупериодных схемах выпрямления качество выходного напряжения определяется только количеством фаз генератора. Сделано заключение о том, что наилучшие показатели при сравнительно небольшом числе фаз могут быть получены при использовании агрегатированного генератора, обмотка якоря которого разделена на две части, смещенные на 30 эл. град. друг относительно друга и соединенные с раздельными мостовыми выпрямителями, включенными последовательно или параллельно относительно нагрузки. Такой генератор может рассматриваться как один из приемлемых вариантов обеспечения высоких требований по ограничению пульсаций выпрямленного напряжения энергоустановки.
Бесплатно
Статья научная
Наличие пульсаций электромагнитного момента в электроприводе с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения (СРДНВ) объясняется протекающими во времени процессами коммутации токов в статорных обмотках. Максимальное значение пульсаций в разомкнутой схеме для шестифазного двигателя может достигать 20 % от развиваемого электромагнитного момента. Одним из наиболее удобных для анализа процессов в электроприводе с СРДНВ является метод обмоточных функций. Данный метод позволяет произвести расчет амплитуды пульсаций относительно среднего момента, развиваемого электродвигателем для различного числа фаз. Компромиссом с учетом стоимости электропривода, массогабаритных и энергетических показателей по результатам расчета явилась трапецеидальная форма тока при числе фаз, равном шести. При числе фаз, меньшем шести, амплитуда пульсаций значительно увеличивается, что недопустимо. С другой стороны, увеличение числа фаз ведет к увеличению габаритов полупроводникового преобразователя при незначительном снижении амплитуды пульсаций. Для снижения уровня пульсаций электромагнитного момента было рекомендовано создание и использование быстродействующих контуров регулирования тока (КРТ), а также применение гибкой положительной обратной связи по току при коммутации фазных токов. Такое решение позволило получить среднее значение момента, на 10 % большее, чем в системе без коррекции, и ощутимо снизить амплитуду пульсаций электромагнитного момента. Показана возможность эффективной работы электропривода с СРДНВ в аварийных режимах.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований работы электропривода на базе асинхронизированного вентильного двигателя с применением новой цифровой бездатчиковой системы управления для усовершенствования и устранения ряда недостатков ранее известных вариантов систем управления данным типом электропривода. Предложена структура наблюдателя скорости с применением ПИ-регулятора. В отличие от многих известных структур наблюдателей скорости, применяемых в системах управления приводов переменного тока, предложенный наблюдатель не содержит в алгоритмах вычисления скорости параметры базовой машины, которые могут меняться в зависимости от режима работы привода, и отличается лучшими динамическими характеристиками. Приведена оценка точности наблюдения угловой скорости ротора в диапазоне от начальных значений до номинальных.
Бесплатно
Статья научная
Создание и широкое применение за рубежом интеллектуальных грузоподъемных манипуляторов, позволяющих осуществлять перемещение рабочим, прикладывая усилия непосредственно к грузу, делает актуальным задачу модернизации отечественных манипуляторов, система управления которых построена по принципу регулирования скорости движения груза и имеющая ряд недостатков при их эксплуатации. Осуществление перемещения груза, воздействуя непосредственно на него, может быть реализовано на манипуляторах отечественного производства с применением силокомпенсирующей системы управления. Принцип работы такой системы заключается в компенсации при помощи электродвигателей гравитационных и других сил, препятствующих движению груза, а также в создании и поддержании неизменными в точках подвеса груза усилий, равных его весу. При этом движение груза осуществляется под действием внешних усилий. В результате данной работы обоснована целесообразность применения силокомпенсирующей системы управления. Произведен выбор необходимого оборудования и модернизация манипулятора отечественного производства для перемещения грузов типа ШБМ-150М. Экспериментально определены технические характеристики и функциональные возможности первого отечественного манипулятора ШБМ-150МИ с силокомпенсирующей системой управления.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается возможность реализации метода бездатчикового определения углового положения ротора. Проанализированы существующие методы бездатчикового контроля углового положения ротора двигателей переменного тока. Представлены общие недостатки ряда бездатчиковых методов. Указано, что одна из главных проблем определения углового положения ротора без использования механического датчика заключается в сложности определения данной величины при нулевой и низкой скорости. Представлена функциональная схема бездатчикового электропривода на основе синхронного двигателя. Рассмотрена взаимосвязь наводимых ЭДС и высокочастотного сигнала напряжения, подаваемого в обмотку возбуждения синхронного двигателя. Осуществлен вывод формулы, описывающей зависимость между угловым положением ротора и фазными ЭДС. Вывод формулы осуществлен на основе системы уравнений Парка - Горева. Реализована структурная схема согласно приведенным зависимостям. Выполнен анализ полученных результатов.
Бесплатно
Статья научная
Разработка систем контроля технического состояния оборудования прокатных станов должна основываться на современных цифровых технологиях. Одним из наиболее частых повреждений, возникающих в главных линиях электроприводов клетей, является поломка шпиндельных соединений. На примере реверсивной клети толстолистового стана 5000 ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ПАО «ММК») обоснована задача контроля износа шпиндельных соединений на основе периодического измерения угловых зазоров в автоматическом режиме. Выполнен анализ осциллограмм скоростей и моментов двигателей в аварийном режиме, вызванном поломкой шейки валка. Подтверждены колебательные свойства системы «электропривод - валок», увеличивающие амплитуду упругого момента при захвате металла. Разработан наблюдатель углового зазора, принцип которого основан на алгоритмическом вычислении (восстановлении) неизмеряемого сигнала (зазора) на основе математической обработки физических параметров (скорости и электромагнитного момента двигателя), измеряемых с заданной периодичностью. Предложен способ мониторинга износа шпиндельного соединения, обеспечивающий косвенное определение углового зазора путем интегрирования скорости при разомкнутом зазоре. Интервал вычисления интеграла определяется путем фиксации динамического увеличения момента двигателя в момент его активного закрытия при отсутствии металла в валках. Представлена структура наблюдателя, приведены осциллограммы, поясняющие возможность его практической реализации. Дана характеристика имитационной модели электромеханической системы клети стана 5000. Выполнены исследования алгоритмов, реализующих разработанный способ. Предложены вариант технического исполнения и алгоритм настройки наблюдателя. Обозначена стратегия дальнейших исследований, обоснованы направления создания цифровой системы мониторинга износа шпиндельных соединений. Отмечены технические эффекты, обеспечиваемые при внедрении выполненных разработок.
Бесплатно
Статья научная
При расширении сортамента продукции толстолистовых прокатных станов приобретает актуальность проблема совершенствования алгоритмов управления приводами мехатронной системы реверсивной клети. Важнейшими задачами являются повышение точности геометрических размеров, а также улучшение профиля и планшетности проката. Представлена структура, поясняющая концепцию ROLL-GAP CONTROLL автоматического регулирования толщины и зазора валков фирмы SMS-Demag AG. Данная концепция реализована на стане 5000 Магнитогорского металлургического комбината. Приведена структурная схема системы расчета и автоматического регулирования толщины (САРТ). Рассмотрена функциональная схема системы регулирования положения гидравлических нажимных устройств Hydraulic Gap Control (HGC), включающая быстродействующий канал пропорционального регулирования и относительно медленный канал интегрального регулирования положения. Рассмотрен принцип автоматического регулирования толщины, реализованный в ресурсе системы Automatic Gap Control (AGC) контроллера TCS клети. Представлены схема и зависимости для вычисления коэффициентов нелинейного регулятора толщины. Отмечены функции RAC-регулятора, предназначенного для компенсации разницы растяжений (перекоса) зазора по сторонам клети. Рассмотрены функции системы динамической компенсации возмущающих воздействий. Обосновано исключение сигналов коррекции противоизгиба и деформации валков. Отмечены недостатки САРТ при прокатке листов толщиной менее 10 мм. Наболее опасным является отрыв фрагментов металла от хвостовой части, вызванный некорректной работой системы задания толщины. Предложен способ управления гидравлическими нажимными устройствами, суть которого заключается в быстродействующем увеличении межвалкового зазора на «хвосте» раската в последнем проходе при прокатке тонких листов. Представлены результаты экспериментальных исследований, выполненных на стане 5000. Подтверждена техническая эффективность внедрения предложенного способа управления. Рассмотрены осциллограммы сигналов, характеризующих разнотолщинность. Доказано, что при предложенных настройках систем HGC и AGC обеспечивается высокая точность регулирования положения нажимных устройств и толщины по длине и ширине листа.
Бесплатно
