Электротехнические комплексы и системы. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
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
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 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
Статья научная
В рамках статьи рассмотрен усовершенствованный алгоритм оптимального управления электрическими режимами установки ковш-печь (УКП) с использованием информации о гармоническом составе токов дуг и применением цифрового двойника. Сформулирована проблема, связанная со сложностью определения уставок регулирования параметра вторичного электрического контура УКП для различных шлаковых режимов и режимов донной продувки. В качестве решения данной проблемы предложено использование цифрового двойника, который позволяет выполнить расчет оптимального сочетания уставок регулирования по трем фазам, которые передаются непосредственно в систему автоматического управления электрическим режимом УКП и используются при дальнейшей работе агрегата. В заключении приведены результаты испытания нового алгоритма на действующем УКП, функционирующем на одном из отечественных металлургических предприятий.
Бесплатно
Статья научная
Целью данного исследования является разработка усовершенствованных алгоритмов управления электрическими режимами установок ковш-печь, предусматривающих автоматическую адаптацию длин электрических дуг к различным условиям аргонной продувки и разной толщине шлака. Рассмотрены вопросы оптимизации несимметричных режимов горения дуг, обеспечивающих максимальное снижение излучений и повышение теплового КПД в фазах, расположенных рядом с зеркалом жидкого металла при донной продувке и работе аварийной фурмы. Приведены результаты экспериментальных исследований поведения поверхности жидкого металла и шлака при различных режимах аргонной продувки, а также различной толщине шлакового слоя. На основе результатов экспериментов предложены новые алгоритмы управления электрическим режимом установки ковш-печь. Данные алгоритмы позволяют производить динамическую адаптацию длин электрических дуг к изменяющимся режимам аргонной продувки, а также шлаковым режимам с использованием информации о гармоническом составе токов дуг. За счёт этого обеспечиваются необходимые условия для улучшения энергетических, временных и технологических показателей установок ковш - печь, поскольку от корректной адаптации электрического режима к изменяющимся условиям плавки напрямую зависит величина теплового КПД электрических дуг, а также КПД технологической установки в целом.
Бесплатно
Регулировочные характеристики двухвходовой генераторной установки
Статья научная
В статье рассмотрена двухвходовая генераторная установка (ДГУ) для электроснабжения различных объектов. Предметом статьи являются характеристики ДГУ, полученные путём реализации математической модели. ДГУ является электромеханическим преобразователем энергии с несколькими ступенями преобразования. Для математического описания свойств ДГУ в динамических режимах использована модель обобщённого электромеханического преобразователя энергии, позволяющая учитывать все связи в исследуемой ДГУ. Использование теории обобщённого электромеханического преобразователя энергии, которая основана на комбинированном подходе, включающем теорию электрических цепей и теорию поля, позволяет проводить исследование электромеханических преобразователей энергии как в динамических, так и в установившихся режимах. Именно для целей преобразования двух разнородных видов энергии в энергию трёхфазного переменного тока в ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет» разработаны двухвходовые генераторные установки (ДГУ), позволяющие в одном электромеханическом преобразователе энергии суммировать энергию двух разнородных возобновляемых источников энергии для выработки электрической энергии. Для исследования параметров и характеристик таких установок создана математическая модель, на основе которой проведён вычислительный эксперимент, что позволило получить представление об исследуемом объекте. Задачей математического моделирования ДГУ являлось получение ее динамических характеристик и на базе этих характеристик - получение регулировочных характеристик ДГУ, таких как зависимости напряжения и частоты выходного напряжения от внешних факторов и параметров ДГУ. К внешним факторам, влияющим на работу ДГУ, относятся: частота вращения ротора ветроагрегата, зависящая от скорости ветра, и напряжение на выходе фотоэлектрического преобразователя, зависящее от интенсивности солнечного излучения.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматриваются проблемы, связанные с повышением качества электроэнергии и обеспечением нормальной работы промышленных систем электроснабжения при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки. Для устранения этих проблем в работе предлагается новый тип управляемого регулятора напряжения взамен известных механических регуляторов напряжения типа РПН и ПБВ. Приводятся результаты исследования качества электроэнергии и эффективности работы систем электро-снабжения при стационарных и динамических процессах. Приводятся интегральные характеристики для систем электроснабжения с известным и новым управляемым регуляторами напряжения. Исследование проводилось в среде MATLAB на модели цехового трансформатора предприятия с существующим и предлагаемым управляе-мым регулятором напряжения мощностью 1000 кВ•А и напряжением 6/0,4 кВ. Полученные результаты числен-ных экспериментов при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки подтверждают, что предлагаемый управляемый регулятор напряжения обладает способностью сохранить высокое значение качества электроэнергии и эффективность работы систем электроснабжения, а также сохранить их нормальный режим работы и продлить срок службы электрооборудования систем электроснабжения.
Бесплатно
Система электропривода стана прокатки труб ПАО «ЧТПЗ»
Статья научная
Актуальностью представленной работы является увеличение быстродействия в работе стана холодной прокатки труб для возможного увеличения технико-экономических показателей. В качестве опытной установки принято решение взять стан ХПТ-450 (ПАО «Челябинский трубопрокатный завод»), быстродействие которого было увеличено до 30 % путем внедрения энергоэффектвного оборудования. Проведенный анализ цикловой автоматики показал, что время работы электропривода составляет около 30 %, что позволяет дать оценку технико-экономическим показателям. Ввиду этого было принято решение исключить из механической силовой цепи угловой редуктор, что в свою очередь упрощает механическую часть системы. Однако уменьшение передаточного числа редуктора приводит к увеличению динамической нагрузки на вал электродвигателя. Проведен анализ работы технологического процесса с помощью методики синтеза силовой части электропривода. Метод включает в себя несколько этапом анализа: определение траектории движения, параметров электрооборудования, выбор структуры, а также параметров корректирующих связей. Данный метод позволяет дать полную оценку работе электропривода. В результате определены корректирующие данные контуров управления скорости, положения и момента. В заключение был проведен технико-экономический анализ от внедрения представленной методики. Результаты показали положительный эффект не только в увеличении быстродействия работы на 80 %, но и в росте экономического эффекта в позитивном направлении.
Бесплатно
Статья научная
Резюме: Simulink - это хорошо известное программное обеспечение для моделирования электрооборудования, широко используемое при изучении электрических машин. Однако оно ограничено в предоставлении результатов и не способно отобразить реальные эффекты движения физических двигателей. В данной работе разработана система математического моделирования в Simulink и система виртуального 3D-моделирования в Unity3D для двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, основанная на концепции цифровых двойников. Ввиду сложности межсистемной передачи данных предлагается кроссплатформенный модульный метод взаимодействия данных на основе протокола связи UDP, модули связи могут независимо получать и отправлять данные, гарантируя плавное взаимодействие между ними. В ходе эксперимента по моделированию двигателя виртуальная экспериментальная платформа демонстрирует высокую скорость реакции и точность. Система виртуального 3D-моделирования может принимать входные данные из модели двигателя Simulink и получать результаты расчетов в реальном времени. Эти результаты затем загружаются в 3D-модель двигателя для визуализации соответствующих движений. Пользователи могут настраивать модели Simulink в соответствии со своими конкретными требованиями и использовать разработанную систему передачи данных для отображения соответствующих рабочих эффектов через виртуальную трехмерную систему. Виртуальная экспериментальная платформа использует 3D-модель для воспроизведения рабочего состояния двигателя и интуитивного трехмерного представления экспериментальных результатов. Это позволяет преодолеть ограничения по времени и доступному оборудованию.
Бесплатно
Статья научная
Проведен анализ современных конструкций систем автоматической сортировки твердых бытовых отходов, выявлены недостатки. Предложен оригинальный способ электродинамической сепарации электропроводящих материалов с использованием одного или нескольких индукторов с переменным числом пар полюсов, создающих бегущее электромагнитное поле, которым воздействуют на электропроводящие фрагменты твердых бытовых отходов. Обмотки индукторов при сепарации переключаются так, что полюсное деление изменяется дискретно от максимального до минимального или наоборот, с определенным интервалом времени переключения, определяемым максимальным значением инерции электропроводящих фрагментов с размером, близким к значению полюсного деления. Приводится описание способа электродинамической сепарации, а также блока управления системой электродинамической сепарации. Предлагаемый способ позволит расширить функциональные возможности автоматизированных систем сортировки и переработки электропроводящих твердых бытовых отходов и повысить производительность сепарации.
Бесплатно
