Электротехнические комплексы и системы. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Статья научная
Наибольшая доля отказов асинхронных двигателей в промышленности связана с перегревом изоляции статорной обмотки в результате неправильной эксплуатации оборудования. В данной работе применены методы математического моделирования тепловых процессов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором для оценки теплового состояния элементов конструкции электродвигателя. Моделирование основано на методе эквивалентных тепловых схем для стационарного нагрева. За основу взята математическая модель, состоящая из 10 основных узлов электрической машины. В работе поставлена задача экспериментальным путем проверить адекватность предложенной математической модели и дать оценку возможности ее применения для диагностики состояния электродвигателя путем измерения тока статора без использования встроенных датчиков. Результаты моделирования были проверены экспериментальным путем с использованием тепловизионного оборудования. По результатам сравнения математической модели и экспериментальных данных сделан вывод о возможности применения предложенной модели для исследования тепловых режимов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Бесплатно
Статья научная
Качество обеспечения электроэнергией во многом зависит от синхронизированной работы генераторов. Для повышения надежности синхронизации работы генераторов необходимо согласованно корректировать частоту вращения турбины. В этом случае целесообразно применение регулируемой электромеханической системы для изменений в допустимом диапазоне частоты вращения турбины генератора. В статье рассмотрен вопрос математического описания системы электромеханического регулирования частоты вращения парового турбогенератора, выполненного на основе линейного актуатора. Приведена структурная схема турбоагрегата с электромеханическим регулированием частоты вращения с учетом влияния давления пара на клапан турбины. Математическое описание представлено в форме передаточных функций, полученных на основе линеаризации основного уравнения движения турбины в относительных отклонениях параметров турбогенератора и электропривода. Линеаризованное описание позволит применять классические методы синтеза регуляторов системы автоматического регулирования скоростью.
Бесплатно
Статья научная
Представлена методика сравнения энергетической эффективности различных способов регулирования суммарной производительности воздуходувной станции. Показаны основные принципы электрического моделирования сетей воздуховодов для математического описания их свойств и характеристик. Приведены результаты сравнения энергоэффективности способов регулирования для одиночного вентилятора и группы из пяти вентиляторов, работающих на общую магистраль. Получен вывод о высокой энергоэффективности сочетания старт-стопного регулирования с плавным регулированием с помощью осевых направляющих аппаратов для воздуходувной станции из пяти вентиляторов в сравнении с одновременным частотным регулированием пяти вентиляторов.
Бесплатно
Статья научная
На сегодняшний день мировым научным сообществом уделяется большое внимание созданию новых и совершенствованию существующих источником электрической энергии. Одним из таких источников являются дорожные энергетические установки. Данный вид устройств выполняется в виде искусственной дорожной неровности. Принцип их действия основан на том, что в момент наезда на искусственную дорожную неровность автотранспортное средство, создавая усилие на нажимной платформе, передаёт дорожной неровности кинетическую энергию, которую можно преобразовать в электрическую энергию. Целью данного исследования является разработка концепции экспериментальных исследований дорожной энергетической установки (имитационного моделирования) для уточнения закономерностей формирования силовых и скоростных параметров системы «автотранспортное средство - дорожная энергетическая установка» и проверки рабочей гипотезы и адекватности математического описания переходных процессов при разгоне и выбеге дорожной энергетической установки с учетом повторно-кратковременного характера режима работы. В результате получена структурная схема и на ее основании разработана схема электрическая принципиальная электромеханического симулятора дорожной энергетической установки, который в дальнейшем планируется использовать в физическом эксперименте. Произведен расчет крутящего момента при проезде среднестатистического автомобиля массой 1600 кг через дорожную энергетическую установку и угловой скорости коромысла при скоростях автотранспортного средства 20, 30, 40 км/ч. Величина крутящего момента составила 398 Н∙м; угловая скорость принимает следующие значения: при скорости автотранспортного средства 20 км/ч - 22,3 рад/с, при 30 км/ч - 33,3 рад/с, при 40 км/ч - 41,7 рад/с. Исходя из полученных значений крутящего момента и угловой скорости, определена мощность приводного двигателя электромеханического симулятора. Значение мощности составило 16,6 кВт. Разработанная электрическая схема и полученное значение расчетной мощности приводного двигателя позволят сымитировать работу дорожной энергетической установки и определить количество электрической энергии, полученной от проезда одного автомобиля массой 1600 кг.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается использование энергоэффективного электрического привода. Актуальностью предлагаемого решения проблемы является увеличение спроса на энергоэффективное оборудование в промышленности ввиду роста требования к качеству выпускаемой продукции и скорости ее изготовления. Таким образом, основной задачей является увеличение быстродействия переходных процессов переменных систем в режиме рекуперации, снижение коммутационных потерь, оценка максимально возможных и допустимых перенапряжений в звене постоянного тока и проведение параметрической оптимизации по критерию оптимального количества фаз многоуровневого преобразователя на базе синхронных и асинхронных электродвигателей. На примере трубопрокатного стана 5000 (ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат») и универсального рельсобалочного стана (ПАО «ЧМК», г. Челябинск) произведено исследование работы многоуровневого преобразователя частоты, вместо существующих автономных инверторов напряжения. В результате работы выявлено снижение перенапряжения на силовых ключах; методом экспериментальных тепловых исследований коммутационные потери снизились на 25-45 % в зависимости от номинальной мощности; с помощью применения трехуровневого выпрямителя сохраняется интенсивность торможения, что, в свою очередь, в общем цикле позволяет снизить время тормозных режимов на 2-5 %. Далее проведено исследование оптимального числа фаз полупроводникового преобразователя для объектов металлургического производства по критерию максимума вероятности безотказной работы.
Бесплатно
Многоуровневые преобразователи частоты для дифференциальных электроприводов
Статья научная
Надежная работы промышленной автомобильной техники - одно из самых главных требований, особенно в условиях Крайнего Севера. Самым сложным является пуск двигателя внутреннего сгорания, который осложняется ввиду низкой температуры окружающей среды. В данной работе предлагается использование дифференциального электропривода в качестве стартер-генератора. Это позволит не только объединить стартер и генератор автомобиля в одну электрическую машину, но и увеличить энергоэффективность агрегата. Благодаря использованию планетарного редуктора удалось достигнуть изменения отношения момента и скорости 10:1 в генераторном и двигательном режимах. Достигнута стабильная работа стартер-генератора в пусковом режиме путем использования многоуровневого преобразователя частоты и синхронного реактивного двигателя с независимым каналом возбуждения. Данный дифференциальный привод позволит уменьшить массогабаритные показатели подкапотного пространства, увеличить шанс пуска двигателя внутреннего сгорания, а также впоследствии уменьшить расход топлива.
Бесплатно
Наблюдатель упругого момента двухмассовой электромеханической системы
Статья научная
Для снижения аварийности и повышения ресурса электромеханических систем с ударным изменением нагрузки необходим мониторинг упругих моментов в механических передачах. Эта задача является актуальной для главных линий клетей станов горячей прокатки. Внедрение систем мониторинга на базе физических измерительных устройств является неэффективным в связи с их сложностью и низкой эксплуатационной надежностью. В качестве альтернативы предлагается относительно простой наблюдатель упругого момента, представляющий собой фрагмент программного обеспечения промышленного контроллера. Представлена структура наблюдателя, показаны его преимущества по сравнению с известными аналогами. На примере электромеханических систем клети толстолистового стана 5000 доказана адекватность измеренных и восстановленных сигналов упругого момента. Обоснован квазиэкспериментальный анализ аварийных режимов, позволяющий выполнять обработку сигналов, сохраненных в виде массивов данных. На основе такого подхода дана оценка динамических моментов в аварийном режиме останова клети с металлом в валках. Подчеркнута целесообразность создания системы онлайн-мониторинга перегрузок шпинделей и методики расчета их ресурса.
Бесплатно
Статья научная
Повреждения подшипников вносят существенный вклад в статистику выхода из строя асинхронных электродвигателей. Зачастую для детектирования этого типа повреждений используют информацию о вибрации двигателя. Однако получение такой информации требует специального оборудования (внешних датчиков) и возникают сложности с использованием такого подхода в механизмах, работа которых сопровождается повышенным уровнем вибраций технологического характера. Методы детектирования неисправностей, основанные на анализе тока статора, позволяют избежать этих недостатков. В настоящее время существует много подходов к решению этой задачи с использованием достаточно сложных методов. Вместе с тем представляет интерес и применение сравнительно простых методов, пригодных для использования онлайн. В работе анализируется возможность использования для детектирования повреждения подшипников простейшего порогового подхода, основанного на использовании информации о токе статора с применением вейвлет-анализа для первичной обработки сигнала. Показана возможность обнаружения неисправности подшипников на основе анализа изменений среднеквадратичного отклонения сигнала тока статора при появлении неисправности. Рассмотрены особенности выбора величины порогового значения среднеквадратичного отклонения и показано, что пороговый уровень срабатывания системы распознавания неисправности необходимо устанавливать существенно большим, чем следует из критерия «трех сигм», чтобы избежать ложного срабатывания алгоритма распознавания этой ситуации.
Бесплатно
Обоснование инженерных методов идентификации режимов оптимизации асинхронных электроприводов
Статья научная
Асинхронные электроприводы с частотным регулированием широко применяются в самых разных отраслях промышленности. Традиционные методы анализа режимов работы асинхронных электроприводов - схемы замещения и векторные диаграммы - все еще широко применяются для анализа различных режимов работы. Достаточно часто результат их применения не слишком нагляден и эффективен. Часто упрощения, необходимые для наглядности, слишком значительны. Так обстоит дело с интерпретацией популярной оптимизации потребляемой мощности снижением амплитуды статорного напряжения. В статье предлагается обоснование измененных схем замещения и векторных диаграмм, позволяющее оценить, как эта оптимизация влияет на весь комплекс параметров и переменных, характеризующих режим работы асинхронного электропривода - изменения скорости вращения, скольжения и роторного тока. Предложены упрощенные векторные диаграммы и схемы замещения, которые позволяют оценить потоки активной и реактивной мощности в электроприводе и их изменения при оптимизации амплитуды статорного напряжения. На основании предложенных схем замещения проведены расчеты, показывающие характер изменения токов ротора и статора при вариациях статорного напряжения. Предложенные методы расчета позволили провести всестороннюю оценку метода управления асинхронными электроприводами при основном магнитном потоке, определяемым отношением амплитуды напряжения подаваемого на статор двигателя к его частоте, существенно ниже номинального значения.
Бесплатно
Оптимизация электроприводов переменного тока промышленных механизмов
Статья научная
В статье рассматриваются проблемы оптимизации при проектировании комплекта электропривода переменного тока мощностью до 1 МВт. Необходимость оптимизации при проектировании электроприводов обусловлена технико-экономическими показателями при долгосрочной эксплуатации электропривода. Основной проблемой оптимизации электроприводов переменного тока является сложность математического описания электродвигатель-преобразователь частоты. Представлена обобщенная математическая модель электроприводов переменного тока, в которой нелинейная часть преобразователя частоты представлена апериодическим звеном с постоянной времени Ti, звеном чистого запаздывания с постоянной времени τ и переключающей функцией Ψni, которые являются аппроксимирующими для передаточной функции полупроводникового преобразователя. Такая математическая модель позволяет синтезировать силовые цепи и систему управления i-фазного преобразователя. Оптимизация электромеханического преобразователя рассмотрена с применением метода конечных элементов.
Бесплатно
Особенности синтеза синхронных реактивных и индукторных электрических машин
Статья научная
Рассмотрена задача поиска наилучших размеров элементов магнитных систем синхронных реактивных и индукторных электрических машин в расширенном диапазоне изменения момента нагрузки и мощности. Предложен алгоритм решения поставленной задачи, который предполагает разделение элементов магнитной системы на две группы. Первая группа влияет на величину пульсаций момента, а вторая не влияет на этот показатель. Такое разбиение ускоряет процесс сходимости результата. Предложен метод последовательного нелинейного программирования для решения поставленной задачи. Он обладает хорошей сходимостью при минимальном времени поиска. Выполнен синтез конечно-элементных моделей синхронной реактивной машины с зубчатым и анизотропным типами ротора, вентильно-индукторной машины, машины с переключением поля, синхронной реактивной и индукторной машин с двухсторонней зубчатостью. Показано, что доля обмоточной меди относительно стали в активной части машин возрастает относительно машин традиционного исполнения при работе в номинальном режиме. Напротив, эта особенность проявляется в меньшей степени при работе в зоне перегрузок по моменту. С увеличением мощности возрастают электромагнитные нагрузки, что эквивалентно работе машины меньшей мощности в режиме перегрузки. Показано, что чувствительность к величине воздушного зазора у машин с двухсторонней зубчатостью и распределенной обмоткой на статоре самая большая в исследуемом классе, поэтому с возрастанием мощности удельный момент будет существенно увеличиваться. Напротив, наименьшая чувствительность к величине воздушного зазора у машин с односторонней зубчатостью и распределенной обмоткой на статоре позволяет выполнять эти машины с большей величиной зазора без ущерба для удельного момента.
Бесплатно
Статья научная
В качестве предмета исследований в работе рассмотрена вентильно-индукторная электрическая машина с неравномерным воздушным зазором. Основной задачей исследований является оценка влияния сил одностороннего магнитного притяжения на надежность подшипникового узла при различных вариантах расположения ротора. В данной статье учитывается взаимное влияние сил одностороннего магнитного притяжения и сил дисбаланса. Для расчета магнитного поля использован метод конечных элементов. Исследования проведены для вентильно-индукторной машины, в которой ось вращения совмещена с осью симметрии статора либо смещена вместе с осью симметрии ротора. Получены значения результирующей силы одностороннего магнитного притяжения, существенно превышающей допустимые значения. Предложен алгоритм расчета характеристик вентильно-индукторной электрической машины, который учитывает допуски на изготовление элементов ее конструкции. Алгоритм позволяет скорректировать требования к используемым подшипникам, обеспечить требуемый уровень надежности вентильно-индукторной электрической машины и прогнозировать уровень вибрации и шума.
Бесплатно
Параметрическая оптимизация синхронных реактивных электрических машин
Статья научная
Для обеспечения быстродействия в работе электромеханических преобразователей на сегодняшний день предпринято различное множество решений как аппаратных, так и технических. Так, для решения эффективной работы стана холодной прокатки ХТП-450 принято решение использовать СРМНВ с зубчатым ротором. Цель данной статьи - рассмотреть альтернативу представленному ротору в качестве неявнополюсного ротора типа TLA. Для сравнения и выявления оптимальной геометрии в статье представлены несколько решений ротора, проведены необходимые исследования в статическом режиме при различной плотности тока: 4 и 6 А/мм2. Результатом исследований представлена таблица со значениями моментов для каждого исполнения, дана оценка и соответствующие рекомендации по применению.
Бесплатно
Статья научная
В сложившихся условиях роста интенсивности и объемов движения тяжеловесных поездов по сети железных дорог РФ участившиеся случаи неправильного действия защит фидеров контактной сети в нормальном режиме приводят к нарушению графика движения поездов и, как следствие, к значительному материальному ущербу. Статья посвящена задаче оптимизации алгоритма работы дистанционной защиты фидеров контактной сети системы тягового электроснабжения 25 кВ, 50 Гц переменного тока, исключающего неправильную работу защиты в различных режимах. На основании натурных осциллограмм токов и напряжений фидеров контактной сети для нормальных и аварийных режимов выполнен анализ их гармонического состава, что позволило выявить новый отличительный признак режима короткого замыкания в контактной сети. Приведены графические зависимости изменения гармонических составляющих тока контактной сети за время переходных процессов в нормальных и аварийных режимах. Предложены новый алгоритм работы и новая функциональная схема устройства дистанционной защиты фидеров контактной сети, позволяющие исключить излишнее срабатывание дистанционной защиты фидеров контактной сети с учетом наличия повышенных токовых нагрузок.
Бесплатно
Статья научная
Роль электрического двигателя в промышленности однозначно высока. Однако, говоря о сложных механизмах, использование электромеханических преобразователей конкретной серии нецелесообразно ввиду малой энергоэффективности. В технической литературе электроприводчиками применялся термин «именные» электрические машины, т. е. машины, изготовленные для конкретного технологического механизма, например, именной двигатель главного привода стана 5000 ММК (установленная мощность одного двигателя составляет 12 МВт). Самым распространенным типом является асинхронный ввиду явных преимуществ. Развитие полупроводниковой техники позволяет расширить рамки регулирования и управление АД, что, в свою очередь, меняет вектор в производстве электрических машин. Главная идея - создание максимально энергоэффективного электродвигателя путем изменения геометрии статора и ротора, формы напряжения, количества фаз, числа полюсов и т. д. Таким образом, для осуществления имеющейся идеи необходимо произвести исследования области формирования магнитного поля путем использования параметрической оптимизации и достижения максимального среднеквадратичного момента.
Бесплатно
Применение дифференциального электропривода в автомобильной промышленности
Статья научная
Для повышения безопасности движения электромобиля на трассе необходимо обеспечить высокий темп разгона при движении на высокой скорости для возможности осуществления маневра обгона. Для этого предлагается реализовать электропривод на базе двух двигателей. В статье рассматривается вопрос устойчивости работы системы с двухканальным регулированием скорости автономных электротранспортных средств, где один канал является «высокомоментным» приводом, в котором двигатель подключен через редуктор с понижающим коэффициентом передачи, а второй канал - «высокоскоростным», в котором аналогичный по габаритам двигатель подключен напрямую. Суммирование мощности двух каналов осуществляется путем применения дифференциального редуктора. В статье показано, что добиться устойчивой работы возможно путем фиксации задания скорости по одному каналу и регулированию по другому каналу, представлены алгоритмы управления. Определены оптимальные значения передаточного числа редуктора «высокомоментного» канала и коэффициента включения (доли в переходном процессе) высокомоментного канала, при которых наблюдается минимум времени переходного процесса. Проведены расчеты для легкового автомобиля и грузового автомобиля массой до 7,5 т. Данное решение позволяет повысить динамику движения автомобиля, расширить диапазон регулирования по скорости и моменту, а также повысить энергоэффективность электроустановки в целом, так как каждый из двигателей в предложенной схеме большую часть времени работает в режиме, близком к номинальному.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлена актуальность исследования такого показателя качества, как несинусоидальность питающего напряжения. Рассмотрен вопрос влияния несинусоидальности напряжения на нагрев асинхронного электродвигателя (АД). Представлено устройство испытательного стенда, предназначенного для исследования влияния несинусоидальности на нагрев АД. Показан принцип работы испытательного стенда и методика проведения экспериментов по определению вклада, вносимого гармониками спектра напряжения в общий нагрев АД. Представлены результаты проведённых опытов, показывающие степень нагрева, вызываемого гармониками напряжения в тепловыделение асинхронного электродвигателя, а также методика обработки экспериментальных данных для нахождения установившихся значений температуры АД и постоянной времени нагрева. Также показаны ограничения исследований, связанные с воздействием АД на значения гармонических составляющих спектра напряжений.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлены результаты моделирования асинхронного двигателя с фазным ротором в стационарном режиме с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics®. Моделирование проводилось при постоянной номинальной скорости вращения ротора с учётом скольжения. Также представлена двухмерная модель двигателя с заданной толщиной вне плоскости, полученная с помощью метода конечных элементов. Полученные результаты соответствуют расчётным и каталожным значениям, что говорит об адекватности модели.
Бесплатно
Статья научная
В рамках данной статьи приведено описание методики выбора оптимальных коэффициентов нелинейного регулятора импеданса в составе системы управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи (ДСП). В качестве объекта исследования была выбрана дуговая сталеплавильная печь шахтного типа ШП-125 (85 МВА) с системой управления электрическим режимом ARCOS и нелинейным ПИ-регулятором импеданса. Детально рассмотрены этапы применения предлагаемой методики на практике для выбранного объекта исследования. Разработана математическая модель системы управления ARCOS с нелинейным ПИ-регулятором импеданса, которая использовалась для оценки текущей настройки системы управления и вывода о необходимости её оптимизации. На основе разработанной методики определены новые значения коэффициентов нелинейного ПИ-регулятора, которые обеспечивают работу контура регулирования импеданса, близкую к техническому оптимуму. Приведены результаты применения усовершенствованных параметров системы управления ARCOS на объекте исследования, рассчитан технический эффект, сделаны научно-обоснованные выводы об эффективности предлагаемых подходов.
Бесплатно
Статья научная
Использование энергоэффективного электропривода затрагивает различные сферы производства. Актуальность этого с каждым годом растет, замена старого оборудования на современное - это вопрос времени и темпа модернизации. Так, в промышленном производстве кораблестроения стоит вопрос о модернизации гребных установок путем использования электропривода с высокими удельными показателями. К данной энергетической установке предъявляются весьма жесткие условия: достаточно высокий коэффициент полезного действия и высокая мощность при сравнительно малых массогабаритных показателях. Таким образом, выбор пал на использование синхронного реактивного двигателя с использованием высокотемпературных сверхпроводников. Для поддержания сверхпроводящего состояния ВТСП элементов необходима криогенная установка. Учитывая режимы работы и эксплуатации грузовых суден и ледоколов, установка должна быть простой, а материал для охлаждения должен быть доступным. В этом случае хорошими качествами обладает жидкий азот (77 К), так как для его создания необходим только доступ к воздуху из окружающей среды. Элементы ВТСП, на которых спроектирован СРД, должны переходить в сверхпроводящее состояние при температуре кипения жидкого азота. Данная конструкция электропривода позволит не только уменьшить массогабариты гребной установки (система ГЭУ «Азипод»), но и сохранить перегрузочную способность, обеспечив надежную работу привода на всем промежутке времени и режимах эксплуатации судна.
Бесплатно
