Электромеханические системы. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Статья научная
Рассматривается электромеханическая система реверсивной клети толстолистового прокатного стана 5000 ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ПАО «ММК»). В результате экспериментальных исследований переходных процессов в режиме захвата металла валками установлены недопустимые динамические нагрузки, имеющие колебательный характер, и потеря управляемости электропривода. Это подтверждает актуальность разработки способов управления, обеспечивающих ограничение моментов двигателя и шпинделя. Отмечено, что известные системы управления скоростными режимами электропривода, обеспечивающие снижение упругого момента за счет предварительного замыкания угловых зазоров, по своей сути являются разомкнутыми системами задания скорости. Это не позволяет обеспечить контролируемое регулирование координат в динамических режимах. В качестве перспективного направления предложена разработка замкнутой системы автоматического регулирования координат двухмассовой электромеханической системы с наблюдателем момента упругого вала и скорости второй массы. Разработан наблюдатель неизмеряемых параметров двухмассовой системы прокатного стана, обеспечивающий косвенное определение (восстановление) скорости валка и момента шпинделя в online-режиме. В его основу положена система уравнений в пространстве состояний. Путем сопоставления восстановленных и экспериментально полученных переходных процессов подтверждена удовлетворительная точность результатов. На основе предложенного наблюдателя разработана система автоматического регулирования (САР) скорости валка с подчиненными контурами упругого момента вала, скорости и момента двигателя. Обоснована настройка регуляторов замкнутых контуров. Рассмотрены переходные процессы моментов и скоростей при ударном приложении нагрузки при увеличенном быстродействии контура регулирования скорости второй массы. В результате анализа ЛАЧХ и ЛФЧХ подтверждена устойчивость разработанной системы в частотном диапазоне. На основе анализа экспериментальных данных констатирован вывод о влиянии углового зазора на точность восстановления упругого момента в режиме захвата металла валками. Отмечены перспективы внедрения разработок на стане 5000 и других прокатных станах, работающих с ударным приложением нагрузки.
Бесплатно
Регулирование механических координат вентильного электропривода методом векторного управления
Статья научная
Рассматриваются вопросы регулирования скорости вращения и электромагнитного момента в вентильном электроприводе, построенном на основе синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов. Приводятся аналитические соотношения, определяющие закон изменения угла коммутации исходя из условий обеспечения заданного значения регулируемых координат или максимального значения электромагнитного к.п.д. Показано качественное и количественное отличие электромагнитного к.п.д., учитывающего электрические потери, и полного к.п.д., определяемого отношением электромагнитной к полной потребляемой мощности.
Бесплатно
Синтез и исследование работы позиционной системы с линейным актуатором
Статья научная
Рассмотрена позиционная система с линейным соленоидным актуатором и модальным управлением. Для придания системе инвариантных свойств в переходных режимах работы при неопределенности параметров силовой схемы и нагрузки с помощью программного расширения Control System Toolbox пакета MATLAB осуществлен синтез коэффициентов модального регулятора при различных видах характеристических полиномов замкнутой системы. Оценка показателей качества динамических характеристик полученной системы с различными коэффициентами модального регулятора выполнена путем математического моделирования режимов работы исследуемого электропривода в приложении Simulink. Полученные структура и методика синтеза системы управления с линейным соленоидным актуатором обеспечивают апериодический характер переходного процесса передвижения рабочего механизма. Это дает возможность осуществлять малые перемещения различных объектов при неопределенности параметров силовых схем и нагрузки с высоким быстродействием и минимальной статической ошибкой.
Бесплатно
Статья научная
В статье дается математическое описание системы электропривода, обращается внимание на то, что синхронный реактивный электропривод с независимым управлением по каналу возбуждения может быть представлен многоканальной системой, в которой структура каждого канала аналогична структуре электропривода постоянного тока. Показано, что контур регулирования электромагнитного момента в синхронных реактивных электроприводах с независимым управлением по каналу возбуждения в области малых скоростей вращения может быть аппроксимирован звеном чистого запаздывания. Настройка электропривода в зоне малых скоростей выполняется регулятором с переменной структурой, параметры которого переключаются в функции знаков сигнала ошибки и ее производной. Такой подход позволил расширить полосу равномерного пропускания частот контура регулирования скорости.
Бесплатно
Скалярное управление асинхронным короткозамкнутым двигателем по активной составляющей тока статора
Статья научная
Представлен метод регулирования частоты вращения асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, базирующегося на скалярных законах управления с обратными связями. Система обратных связей состоит из двух независимых каналов: канала регулирования частоты и канала регулирования напряжения, основанного на регулировании активной составляющей тока статора. Представленная система управления асинхронным электродвигателем позволяет получить наибольшее быстродействие при скалярном способе управления, сравнимое с классической векторной системой.
Бесплатно
Статья научная
Одним из резервов повышения качества насечки на стальной арматуре является совершенствование систем управления электроприводами агрегатов стана по ее производству. В результате экспериментальных и теоретических исследований, проведенных на действующем стане ISF 5 ОАО «ММК-МЕТИЗ», установлено, что применяемая на стане система управления электроприводом размоточного аппарата не обеспечивает необходимого качества насечки на арматуре и требует совершенствования. Причиной неудовлетворительной работы существующей на стане ISF 5 системы управления электроприводом размоточного аппарата является ее неспособность стабилизировать натяжение в проволоке между размоточным аппаратом и роликовым правильным устройством при уменьшении радиуса смотки проволоки. Для технологических условий производства арматуры на стане ISF 5 получено аналитическое выражение для расчета величины натяжения в проволоке между размоточным аппаратом и роликовым правильным устройством. Определены эмпирические и аналитические выражения для исследования влияния радиуса смотки проволоки на составляющие момента электропривода размоточного аппарата и усилий, формирующих натяжение в проволоке. Разработана методика расчета целесообразного изменения момента электродвигателя размоточного аппарата при изменении радиуса заполнения катушки с целью поддержания натяжения в проволоке между размоточным аппаратом и роликовым правильным устройством на заданном уровне. Разработаны функциональная схема системы управления электроприводом размоточного аппарата и алгоритм расчета задания на момент электродвигателя размоточного аппарата, реализация которых позволит на практике выполнить новые технологические требования к электроприводу размоточного аппарата. Разработанная система управления электроприводом размоточного аппарата позволит обеспечить поддержание натяжения в промежутке размоточный аппарат - роликовое правильное устройство на заданном уровне при изменении радиуса заполнения катушки проволокой, диаметра проволоки и других технологических условий изготовления арматуры и, как следствие, обеспечить требуемое значение глубины насечки арматурной проволоки.
Бесплатно
Статья научная
Дана характеристика разработок, посвященных исследованию систем формирования «лыжи» и согласования (деления) нагрузок электроприводов верхнего и нижнего валков горизонтальных клетей прокатных станов. Показано, что изучению совместной работы этих систем не уделяется необходимого внимания. Рассмотрена структура проектной системы задания скоростей толстолистового стана 5000, реализующей алгоритмы лыжеобразования и деления нагрузок. Обоснована актуальность исследования их режимов с целью обеспечения согласованной работы. Представлены осциллограммы моментов двигателей верхнего и нижнего валков, подтвердившие их неравномерную загрузку во всех проходах черновой прокатки. Выполнен анализ осциллограмм скоростей и моментов за один проход. Показано, что при существующей настройке системы задания скоростей момент двигателя нижнего валка достигает уровня ограничения, а двигатель верхнего валка переходит в генераторный режим. Определены причины недопустимых отклонений нагрузок, основными из которых являются несогласованность и низкое быстродействие систем лыжеобразования и деления нагрузок. Обоснован комплекс технических решений, обеспечивающий устранение указанных недостатков. Рассмотрен способ регулирования нагрузок, обеспечивающий форсированное согласование скоростей электроприводов верхнего и нижнего валков за счет исключения из работы интегральной части регулятора деления нагрузок. Представлена схема блока деления нагрузок с переключающейся структурой и переменным коэффициентом усиления регулятора. Рассмотрены осциллограммы, полученные при внедрении алгоритма, реализующего разработанный способ в АСУ ТП стана 5000. Подтверждено повышение точности и сокращение времени согласования моментов двигателей. Даны рекомендации по внедрению выполненных разработок.
Бесплатно
Способы повышения устойчивости электроприводов непрерывных производств при провалах напряжения
Статья научная
Кратковременные провалы напряжения приводят к отключениям электроприводов, нарушению технологических режимов. В результате исследований, проведенных на металлургических предприятиях, показано, что распределение глубины провалов напряжений носит случайный характер. При этом наиболее частыми являются провалы, вызванные однофазными короткими замыканиями. Рассмотрены технические решения, способствующие уменьшению вероятности возникновения провалов напряжения, реализованные на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»). Это деление замкнутых сетей 110 кВ внутризаводского электроснабжения на независимые контуры, непосредственное подключение ответственных потребителей на генераторное напряжение 6-10 кВ собственных станций малой мощности, использование автономного генератора как независимого источника электроэнергии. Выполнен анализ работы синхронных электроприводов стана холодной прокатки 2000 ОАО «ММК» с преобразователями частоты, построенными на базе AFE. Рассмотрены варианты управления активным выпрямителем с адаптацией к несимметрии питающего напряжения. При этом напряжение обратной последовательности используется в качестве корректирующего сигнала для формирования трех фазных напряжений на его входных зажимах. Представлены векторные диаграммы линейных и фазных напряжений при снижении напряжения фазы на 50 %. Приведены результаты расчетов коэффициентов модуляции, необходимых для отработки провалов питающего напряжения при сохранении устойчивой работы активного выпрямителя. Определены границы устойчивого режима работы при снижениях напряжения для случаев однофазного, двухфазных симметричных и несимметричных коротких замыканий. Рассмотрен вариант повышения устойчивости активных выпрямителей за счет обеспечения равенства коэффициентов модуляции по фазам. Показано, что диапазон остаточных напряжений, при котором активный выпрямитель сохраняет устойчивость, при этом расширяется. В целом, при реализации рассмотренных методов электропривод сохраняет устойчивость при значительно меньшем уровне остаточных напряжений.
Бесплатно
Способы повышения энергоэффективности электропривода стана холодной прокатки труб
Статья научная
Рассмотрены различные способы повышения энергоэффективности электроприводов станов холодной прокатки труб. Методами математического моделирования проведены исследования, в ходе которых получены количественные оценки экономии электроэнергии. На примере стана холодной прокатки труб ХПТ-450 построена зависимость среднеквадратичного тока якоря двигателя главного электропривода клети от частоты среза контура скорости. Рассмотрена возможность экономии электроэнергии за счет предварительного ослабления поля двигателя перед рабочим циклом прокатки. Определены оптимальные с позиции энергосбережения моменты подачи и прекращения импульса на ослабление поля. Выявлены условия, позволяющие обосновать соотношения параметров динамических звеньев и добиться изменения графика работы электропривода, что обеспечивает наибольшее снижение потерь в главном электроприводе клети стана холодной прокатки труб. Рассмотренные мероприятия, направленные на повышение энергоэффективности электроприводов станов данной группы, позволяют снизить расход электроэнергии за цикл прокатки на 20-25 %.
Бесплатно
Статья научная
Решается задача сравнительной оценки способа коммутации обмотки ВД с точки зрения энергетической эффективности, возможности расширения диапазонов рабочих скоростей и моментов, а также улучшения регулировочных свойств с целью применения его в конкретном электроприводе. Сравнительная оценка проводилась при одинаковых значениях относительной скорости и относительной индуктивности. Показано, что в двигателях, имеющих относительно небольшие значения индуктивности обмотки якоря, при использовании дискретной коммутации с точки зрения обеспечения максимального значения электромагнитного КПД целесообразно использование 120-градусной коммутации, при этом указанный параметр оказывается не хуже, чем при векторном управлении. В случае большого значения относительной индуктивности 120-градусная коммутация перерождается в 180-градусную, поэтому целесообразно сразу программировать работу двигателя на эту коммутацию. Представлено, что при векторном управлении за счет регулирования угла коммутации вентильного двигателя в функции от скорости вращения ротора появляется возможность не только решать вопросы минимизации энергопотребления двигателя, но и существенно изменять его механические характеристики от характеристик, присущих двигателю постоянного тока независимого возбуждения, до характеристик, аналогичных двигателям последовательного возбуждения.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются схемы источников постоянного тока на основе многофазного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и выпрямителя. Проведена оценка различных вариантов построения схем при изменении числа фаз от двух до десяти и способов соединения обмотки генератора: N-лучевая звезда или замкнутое кольцо из N секций. Доказано, что при прочих равных условиях по удельным электрическим потерям обмотки с малым числом фаз, от двух до четырёх, оказываются предпочтительней многофазных обмоток. Показаны преимущества замкнутых многофазных обмоток перед разомкнутыми обмотками как с точки зрения удельных электрических потерь, так и с точки зрения сохранения выходных характеристик при единичных отказах. С помощью математических моделей проведён анализ пульсаций выходного напряжения выпрямителя для различного числа фаз и различных схем соединения обмоток как в штатном режиме, так и при обрыве диодов в выпрямителе. Оценено влияние индуктивности обмотки генератора на величину пульсаций напряжения. Делается вывод о существенном преимуществе замкнутых обмоток перед разомкнутыми с точки зрения пульсаций выпрямленного напряжения.
Бесплатно
Статические предельные характеристики асинхронного электропривода при частотном векторном управлении
Статья научная
Актуальность исследований обусловлена широким применением частотно-управляемого асинхронного электропривода на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) в наиболее востребованных в промышленности системах регулируемого электропривода общепромышленных механизмов. Целью исследований является анализ расчетных предельных статических характеристик, соответствующих либо номинальному значению напряжения АД, либо максимальному значению выходного напряжения инвертора преобразователя частоты (ПЧ) при заданном значении напряжения питающей сети для различных систем управления трехфазным инвертором, позволяющих оценить возможность получения требуемых скоростей при заданном моменте статической нагрузки в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе с векторным управлением. Новизна исследований состоит в использовании предельной статической характеристики, формируемой функциональным преобразователем задания потокосцепления ротора разомкнутой по скорости системы ПЧ - АД при максимальном напряжении инвертора для выбора скорости начала ослабления потока АД в зависимости от его электромагнитного момента для достижения рабочего режима электропривода. Методы исследования, описанные в статье, основаны на использовании теории электропривода, электрических машин, методов математического и имитационного моделирования с помощью современных программных пакетов и компьютерных средств. В результате исследований установлено, что при недостаточном выходном напряжении инвертора ПЧ в асинхронном электроприводе с частотным векторным управлением формирование требуемых значений потока АД и его момента обеспечивается уменьшением его угловой скорости за счет уменьшения выходной частоты ПЧ. Причем начальную скорость ослабления потока АД следует выбирать в зависимости от фактического значения электромагнитного момента АД, используя для этого предельную статическую характеристику разомкнутой по скорости системы ПЧ - АД. Доказано, что в системах векторного частотного управления асинхронным электроприводом с выбором скорости начала ослабления потока АД в зависимости от электромагнитного момента АД имеется возможность поддержания оптимального значения потокосцепления АД в установившихся режимах его работы, позволяющая обеспечить больший момент при номинальном токе АД в установившемся режиме. Для уменьшения тока, потребляемого АД, и исключения его теплового перегрева при больших нагрузках следует задавать номинальное значение потокосцепления, а при малых нагрузках уменьшать значение задания потокосцепления.
Бесплатно
Статья научная
Определена необходимость выбора оптимальной схемы силовых цепей электропривода с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения. Произведен расчет удельных весовых коэффициентов, представлены в зависимости от величин номинального тока линейные регрессионные зависимости удельных потерь в полупроводниковых преобразователях частоты. Выявлено, что с увеличением несущей частоты ШИМ улучшается выходная форма тока, но увеличиваются потери, поэтому необходимо в зависимости от решаемой задачи определенным образом выбирать несущую частоту. Для решения задачи оптимизации по критерию минимума электрических потерь построена регрессионная зависимость электрических потерь в преобразователе частоты от тока при частоте ШИМ-сигнала 0 Гц. Представлена поверхность критерия оптимизации в зависимости от номинального момента двигателя и числа фаз. В электроприводах с СРДНВ при малых мощностях критерий оптимизации получается самым плохим для многофазных схем. При увеличении мощности данная тенденция сохраняется, но становится незначительным различие оптимальных решений для трехфазной и многофазной схем. Это объясняется линейностью зависимости электрических потерь от тока.
Бесплатно
Теоретические аспекты построения термодинамических моделей электродвигателей
Статья научная
Получено обобщенное математическое описание термодинамической модели электрической машины на основе тепловых схем для произвольного количества узлов и охлаждающих сред, учитывающее влияние температуры узлов на величину греющих потерь, выделяющихся в этих узлах. Показано, что введение учета зависимости мощности потерь в узлах термодинамической модели от температуры этих узлов из-за температурной зависимости сопротивлений обмоток не изменяет свойство линейности модели. Аналитически доказано, что при отсутствии зависимости мощности потерь в узлах термодинамической модели от температуры этих узлов изменение во времени свободных составляющих термодинамических процессов в этой модели всегда имеет апериодический затухающий характер, однако при наличии температурной зависимости мощности потерь это положение не всегда справедливо. Аналитически определены условия, при которых в случае наличия температурной зависимости мощности потерь происходит неограниченное увеличение температуры элементов электрической машины без выхода на установившийся уровень.
Бесплатно
Статья научная
В статье решается актуальная задача диагностики состояния электрооборудования буровой установки с целью уменьшения материальных, временных и трудовых затрат на обслуживание электроприводов БУ. Актуальность исследования подтверждается данными аналитического ресурса SciVal и обзором литературы в области технической диагностики. Для создания автоматической системы обнаружения неисправности предложено объединить математические модели объектов диагностирования логического типа с возможностями микропроцессорных средств. На примере БУ Уралмаш 6500/450 БМЧ разработаны функциональные схемы электрооборудования и логическая модель АЭП БЛ как объекта диагностирования, рассчитаны цены проверок элементов модели и составлена таблица функций неисправности. Алгоритм определения места дефекта на языке контроллера предложено строить по разработанному авторами графу поиска неисправности время-вероятностным методом. Для наглядного представления решения в статье приведен оригинальный способ диагностики неисправности отдельных элементов БУ на примере индуктивного датчика, заключающийся в введении дополнительных обратных связей и реализации алгоритма автоматического обнаружения дефекта на высокоуровневом языке программирования.
Бесплатно
Тяговый электропривод активного прицепа трубовоза
Статья научная
В статье рассматривается электропривод активного прицепа, который является составной частью трубовоза для перевозки труб большого диаметра, необходимых при прокладке нефте- и газопроводов в условиях бездорожья. Благодаря электроприводу резко увеличивается проходимость трубовоза по болотистой местности и облегчается его управление. Указанные привлекательные качества проявляются, если колеса прицепа выполнить приводными, а кинематическую схему привода одноступенчатой. При этом обращается внимание на то, что мощность электропривода будет составлять 20-25 % от номинальной мощности основного тягача, с расширенным диапазоном регулирования по скорости. Для решения поставленной задачи были положены методы, разработанные профессором Филатовым для электроприводов моталок станов холодного проката. Метод предполагает двухдиапазонное регулирование момента. Но такой подход требует применения электрических машин с большим коэффициентом перегрузки по моменту (до 10 крат от номинального момента). Такие перегрузки обеспечивает электропривод с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения. В статье предлагаются методики, позволяющие выбрать рациональные соотношения величин поддиапазонов регулирования момента.
Бесплатно
Удельные массогабаритные показатели электроприводов
Статья научная
В статье рассматриваются удельные массогабаритные показатели разных типов электроприводов и пути их улучшения. Для сопоставления удельных показателей синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов был выбран критерий минимума суммарных потерь, который ранее предлагался профессором Вагати. Удобство этого критерия состоит в том, что он позволяет, не прибегая к сложным электромагнитным расчетам, выбирать оптимальное значение номинальной скорости. Для сопоставления удельных показателей классического асинхронного электропривода было выбрано выражение электромагнитного момента, предложенное профессором Копыловым для классических электрических машин. Уравнение, устанавливающее связь между электромагнитным моментом и геометрическими параметрами электрической машины, позволило выделить «слабые» звенья в асинхронном двигателе и объяснить его предельные показатели. В электроприводе с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения обращается внимание на возможность создания электромагнитного момента высшими гармониками тока. Показано, что проектируя электрические машины с учетом особенностей совместной работы полупроводникового преобразователя и двигателя, можно улучшить удельные показатели электропривода до 30 %. В работе отмечается, что применение новых подходов способствует расширению перегрузочной способности электропривода, а следовательно, его применению на объектах с тяжелыми и сверхтяжелыми условиями эксплуатации.
Бесплатно
Улучшение энергетических и повышение надежностных показателей электроприводов буровых установок
Статья научная
Современные электроприводы, применяемые в нефтегазовом секторе, выполняются по двухуровневым схемам силовых цепей на напряжение до 1 кВ и имеют модульное шкафное исполнение. С целью обеспечения бесперебойной работы критически важных объектов нефтегазового применения представлены способы улучшения путем оптимизации количества фаз модульных преобразователей частоты. Методом численного анализа были выведены критерии оптимизации количества фаз силовых цепей преобразователя по стоимости, электрическим потерям и надежности, основанные на данных стоимости двухуровневых преобразователей частоты. Дано экономическое обоснование снижения капитальных и эксплуатационных затрат при применении многоуровневых преобразователей частоты. Выявлено, что предложенные методы оптимизации позволяют снизить электрические потери благодаря снижению перенапряжений на электромеханическом преобразователе, а также снижению перенапряжений в звене постоянного тока. Повышение надежности обуславливается работоспособностью электромеханического преобразователя в случае отказа одной из его фазной обмотки, с учетом снижения установленной мощности. Представлены результаты внедрения многоуровневых преобразователей частоты «МОМЕНТУМ» серии МТ-1000/МТ-2000 компании ООО НТЦ «Приводная техника».
Бесплатно
Функциональный синтез управления в однофазных электроприводах малой мощности
Статья научная
Рассматривается задача формализации описания движения нелинейной системы в пространстве управляемых параметров на примере коллекторного электродвигателя последовательного возбуждения с питанием от вентильного преобразователя в области прерывистого тока на основе спектрального метода, а также определения функциональных зависимостей регулируемых координат движения. В статье представлены данные о влиянии скорости двигателя на изменение его динамических параметров. Приведены аппроксимированные зависимости, позволяющие осуществить формирование корректирующего сигнала с помощью типовых линейных звеньев. Результаты исследования могут быть полезны при разработке систем электропривода как электрифицированного инструмента, так и тяговых электроприводов для обеспечения оптимумов по быстродействию и минимума потерь в динамических режимах.
Бесплатно
Статья научная
В статье изложены предложения по корректировке динамики асинхронных электроприводов с частотным регулированием, используемых в производственном оборудовании. В ряде научных трудов как российских, так и зарубежных исследователей представлены различные способы улучшения статических и динамических характеристик асинхронных электроприводов для применения их на промышленных линиях с высокими требованиями к показателям качества регулирования этих приводов. Ранее авторами было показано, что положительная динамическая связь по активной составляющей тока статора двигателя (dynamic positive feedback (DPF)) значительно улучшает статическую точность поддержания скорости и качество динамических процессов. Однако аппаратная реализация этой коррекции в приводах производственных механизмов на основе аналоговых элементов существенно снижает ее технико-экономическую эффективность. В предлагаемой статье показано, как такую же коррекцию можно реализовать на промышленных контроллерах, изначально предназначенных для работы с преобразователями частоты (ПЧ) в качестве устройств, управляющих технологическими режимами работы механизмов. Показано, что такой подход открывает широкие возможности для совершенствования алгоритмов управления асинхронными электроприводами в рамках стандартного программного и аппаратного обеспечения.
Бесплатно
