Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Міністерство освіти України
Нацiональна гiрнича академiя України
Нечаєва Свiтлана Володимирiвна
УДК 621.313.004.13
СИСТЕМА ДИНАМIЧНОГО НАВАНТАЖУВАННЯ
З РЕЗОНАНСНИМ КОНТУРОМ
ДЛЯ ДВИГУНIВ ПОСТIЙНОГО СТРУМУ
05.09.03 - Електротехнiчнi комплекси та системи
Автореферат
дисертацiї на здобуття наукового ступеня
кандидата технiчних наук
Дніпропетровськ 1999
Дисертацiєю є рукопис.
Робота виконана на кафедрі автоматизованого електроприводу
Криворiзького технiчного унiверситету Мiнiстерства освiти України
Науковий керiвник: Заслужений діяч науки і техніки України,
доктор технiчних наук, професор,
Родькiн Дмитро Йосипович
( кафедра автоматизації технологiчних процесiв
Кременчуцького державного полiтехнiчного унiверситету )
Офiцiйнi опоненти:
завідувач кафедри електрообладнання промислових підприємств
Дніпродзержинського державного технічного університету,
Садовой Олександр Валентинович.
Вінницького державного технiчного унiверситету ,
Видміш Андрій Андрійович.
Провiдна установа - Харківський державний політехнічний університет,
Міністерства освіти України, м. Харків
Захист вiдбудеться “ ”квітня 1999 р. о 16 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 08.080.07 Національної гірничої академії України (320027, м. Дніпропетровськ, пр.Карла Маркса, 19), корп.№ 1, ауд. 102.
З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi Національної гірничої академії України.
Автореферат розiсланий “ ”березня 1999 р.
Вчений секретар
спецiалiзованої вченої ради Д 08.080.07
кандидат технічних наук, доцент В.Т.Заїка
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.
Актуальність теми. Невiд'ємною частиною виробництва i ремонту eлектричних машин є їх промислові випробування. Методи i схеми, якi переважно використовуються зараз з цією метою, не зовсiм вiдповiдають зростаючим вимогам до якості отриманої в результатi випробувань iнформацiї про стан i характеристики електричної машини. Найбільш це стосується систем для випробування eлектричних машин пiд навантаженням (систем навантажування). Розвиток eлектротехнічної промисловостi, зокрема eлектромашинобудування, вдосконалення режимiв роботи eлектротехнiчних комплексiв потребує розробки та утворення нових методiв i схем навантажування, що дозволяють отримати необхiдну iнформацiю, одночасно полiпшуючи енергетичнi i масогабаритнi показники систем навантажування.
Здiйсненi дослiдження в цiй галузi дозволили створити принципово новий метод навантаження та дiагностики eлектричних машин - метод динамiчного навантажування. Ефект навантаження досягається за рахунок енергообмінних процесів між двигуном та мережею при змінюванні параметрів, які характеризують сумарну енергію в електричній машині. Розробленi на його базi пристрої одержали використання у рядi підприємств електроремонтного виробництва. Однак фiзичнi процеси в eлектричнiй машинi, а також розподіл складових потужностей між двигуном, джерелом живлення та іншими елементами системи пiд час динамiчного навантажування були дослiдженi недостатньо.
Суттєвою особливiстю методу є використання знакозмiнного струму замiсть постiйного, що створює умови для зменшення потужностi обладнання та споживання електроенергiї, одночасно потребуючи забезпечити тепловий еквiвалент струму в силовому контурi перетворення потужностi для статичного та знакозмiнного режимiв.
Крiм того, при застосуваннi навантажування актуальним є завдання стабiлiзацiї навантаження i питання про еквiвалентнiсть звичайних режимiв роботи eлектричної машини i режиму динамiчного навантажування. Дослiдженню цих питань стосовно машини постiйного струму, а також аналiзу та створенню системи динамiчного навантажування, вибору режиму її функцiонування з метою забезпечити оптимальне спiввiдношення потужностей електрообладнання, яке використовується пiд час випробувань, i присвячена розглянута робота.
Метою роботи є підвищення ефективності та економічності випробувань двигунів постійного струму шляхом розробки i дослiдження системи динамiчного навантажування двигунiв постiйного струму з резонансним контуром, яка дозволяє обмежити установлену потужнiсть використовуваного обладнання, знизити витрати електроенергiї та запобiгти впливовi на електричну мережу.
Для досягнення поставленої мети вирiшено наступнi задачi:
- обгрунтовано можливiсть i доцiльнiсть використання системи динамiчного навантажування з резонансним контуром;
- дослiджено физичнi процеси в обмотках eлектричної машини пiд час динамiчного навантажування; проведено аналiз гармонiчного складу струмiв якiрних секцiй;
- визначено та обгрунтовано загальнi пiдходи i принципи еквiвалентизацiї звичайних режимiв роботи eлектричної машини i режиму динамiчного навантажування, дослiджено їх використання при формуваннi режимiв роботи системи навантажування;
- розроблено методику вибору параметрiв обладнання системи навантажування, яка забезпечує оптимальне спiввiдношення потужностей використовуваного електрообладнання (що дозволяє мiнiмізувати сумарну установлену потужнiсть i знизити вживання електроенергiї);
- розроблено систему автоматичного керування, яка мiстить систему стабiлiзацiї навантаження, а також пристрiй для настроювання резонансу в контурi навантажування;
- дослiджено особливостi формування динамiчних режимiв навантажування машин постiйнного струму ( експериментально та з допомогою ЕОМ)
Методи дослiдження. Для вирiшення поставлених задач у роботi використано: аналiз лiтературних джерел i узагальнення ранiше зроблених дослiджень; використання методiв i загальноприйнятих положень по дослiдженню електромеханiчних процесiв в eлектричних машинах, теорiї автоматизованого електроприводу i перетворюючої техніки з широким використанням ЕОМ; перевiрка достовiрностi основних теоретичних положень i аналiтичних обчислень за допомогою експерименту, при розробці математичної моделi - методи численого рiшення систем диференцiйних рiвнянь, метод гармонiчного аналiзу.
Наукові положення та результати, їх новизна.
Вiдокремлення контурiв постiйного та змiнного струмiв у системі динамічного навантажування двигунів постійного струму з впливом на обмотку якоря, на відміну від формування постійної та змінної складової струму навантаження одним джерелом живлення, дозволяє зменшити установлену потужнiсть використовуваного електрообладнання та енергоспоживання пiд час випробувань електричних машин.
. Запропоновано спосiб та пристрiй динамiчного навантажування з резонансним контуром для двигунiв постiйного струму, що дозволяє підвищити ефективність та економічність промислових та післяремонтних випробувань електричних машин.
. Розроблено методику еквiвалентизацiї робочих режимiв машини постiйного струму i режиму динамiчного навантажування по запропонованим критерiям навантаження: ефективному значенню струму якоря, гармонiчному складу i потужностi, яка при цьому використовується, що дозволяє розрахувати та забезпечити необхідний рівень навантаження випробовуваних електродвигунів.
. Розроблено методику вибору параметрiв системи навантажування, яка базується на аналізі залежностей між параметрами елементів системи, що забезпечує оптимальне спiввiдношення потужностей використовуваного електрообладнання і може застосовуватись при створенні та модернізації систем динамічного навантажування.
. Розроблено математичну модель системи динамiчного навантажування з резонансним контуром, яка дозволяє дослiджувати функцiонування системи навантажування, а також вивчати взаємний вплив елементiв резонансного контура та визначати їх параметри.
5. Розроблено систему управлiння з урахуванням особливостей динамiчного навантажування двигунiв постiйного струму в системах з резонансним контуром та алгоритм узгодження роботи регуляторiв, що забезпечують автоматичне настроювання резонансної частоти, стабілізацію струмового навантаження та отримання даних про стан електричної машини за результатами випробувань.
Достовiрнiсть наукових положень i результатiв забезпечується вiдповiднiстю результатiв дослiджень за допомогою математичних моделей фiзичним уявленням про процеси, що вiдбуваються в секціях обмотки якоря та в резонансному контурі, вiдомим iз наукової лiтератури; перевiркою вносимих висновкiв i положень шляхом дублiювання декiлькома методами, узгодженiстю теоретичних висновкiв стосовно вибору частоти змінної складової та параметрів системи i результатiв експериментального дослiдження.
Наукове значення роботи полягає в розробці методики еквiвалентизацiї робочих режимiв машини постiйного струму i режиму динамiчного навантажування, що дає можливість подальшого дослідження та аналізу режимів динамічного навантажування, аналітичному обгрунтуванні вибору частоти змінної складової струму навантаження при розробці системи навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму.
Практичне значення одержаних результатiв полягає в розробці системи динамiчного навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму, що дозволяє обмежити установлену потужнiсть використовуваного обладнання; практичних рекомендацiй до вибору параметрiв системи динамiчного навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму; системи стабiлiзацiї навантаження, пристрою для настроювання резонансу в контурi навантажування; математичної моделі та програми для розрахунку на персональнiй ЕОМ динамiчних режимiв i динамiчних процесiв.
Реалiзацiя результатiв роботи. Результати дисертацiйної роботи використано у проектi станцiї випробування двигунiв автомобiлiв БелАЗ в умовах цеху № 9 пiдприємства "Електромашпромсервiс".
Система навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму пройшла промислове випробування і впроваджена в умовах електроремонтного цеху Криворізького державного залізорудного комбінату.
Апробацiя роботи. Основнi науковi положення i результати дисертацiї оприлюднено на 2-й мiжнароднiй конференцiї "Математичне моделювання в електротехнiцi та електроенергетицi" у Львовi в 1997 р.
Публiкацiї. За темою дисертацiї опублiковано 8 друкованих праць.
Структура роботи. Дисертацiя складається з вступу, п'яти роздiлiв, висновкiв, списка лiтератури i додаткiв. Роботу викладено на 176 сторiнках машинописного тексту, вона мiстить 36 малюнків, 1 таблицю та список лiтератури з 72 наймень.
ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ.
У вступi обгрунтовано актуальнiсть теми, сформульована сутнiсть проблеми, основнi положення дисертацiї.
У першому роздiлi проведено аналiз лiтературних джерел з проблеми випробування eлектричних машин пiд навантаженням, а також з проблем настроювання систем i зниження вживаної потужностi, дослiдження процесiв в обмотках eлектричної машини.
Завдання полягає у створеннi пристроїв, якi дозволятимуть здiйснювати перевiрку показникiв якостi електричної машини шляхом випробувань у вiдповiдностi з вимогами стандартiв, забезпечивши при цьому мiнiмум вживаної потужностi i достатнiй уровень iнформацiї про стан електричної машини.
Аналiз недолiкiв систем навантаження з механiчним агрегуванням виявив доцiльнiсть створення систем навантажування, в яких випробовуваний двигун поєднує в собi функцiї об'єкту навантажування i навантажувального пристрою без механiчних симулячiв навантаження.
Вирiшенням проблеми є метод динамiчного навантажування, сутнiсть якого полягає в тому, що з допомогою вiдповiдним чином сформованих керуючих впливiв на джерело живлення якоря або обмотки збудження формуються енергообмiннi процеси мiж випробовуваною eлектричною машиною i електричною мережею або мiж декiлькома машинами. В силовому колi при цьому циркулюють знакозмiннi складовi якiрного струму, а в енергообмiнi беруть участь індуктивнiсть якiрного ланцюга i динамiчна ємкiсть, еквiвалентом якої виступає момент iнерцiї частин двигуна, які обертаються. Однак, залишилося невирiшеним питання еквiвалентностi значень таких основних показникiв, як навантаження, утрати, нагрiвання eлектричної машини в режимi динамiчного навантажування вiдповiдним значенням у звичайних (номінальних) умовах роботи.
Системи динамiчного навантажування є перспективними також завдяки тому, що процес передачi енергiї eлектричним шляхом не викликає технічних складностей i має значнi можливостi керування i автоматизацiї.
Використання обчислювальних засобiв при цьому дозволяє вирiшити наступнi задачi: автоматичного вимірювання контрольованих величин, їх обробки i оперативної видачi для контролю під час випробувань двигунiв; отримання додатковой iнформацiї для визначення дiагностичних ознак з метою визначення якiсних характеристик i працездатностi eлектричних машин; пiдготовки i видачi документацiї на випробовуванi eлектричнi машини; пiдготовки баз даних про процес випробування eлектричних машин.
При навантажуваннi з впливом на напругу якоря двигуна отримано простi й прийнятнi результати; в системах з впливом на потік, якi вiдрiзняються меншою складнiстю, при традицiйних пiдходах у побудовi систем регулювання залежностi, якi характеризують швидкiсть i струм, виходять занадто складними для подальшого користування. Формування керуючих впливiв розглянуто як специфiчне, достатньо складне завдання, вирiшення якого суттєво спрощує побудову систем ДН. Процес перетворення потужностi в системах динамiчного навантажування вiдрiзняється складнiстю в тому вiдношеннi, що при цьому змiнюються усi складовi повної потужностi, а кривi струмiв i напруг містять складний спектр гармонiчних, що ускладнює аналiз отриманих результатiв. Крiм того, значно ускладнюються операцiї вимiрювання ефективних, середнiх i максимальних значень параметрiв режиму навантажування.
Аналiз праць, виконаних у галузi створення i розробки систем для навантажування, дослiдження i випробування eлектричних машин, дозволили сформулювати мету i задачi дисертацiї, вiдзначити шляхи вирiшення поставлених задач.
Другий роздiл присвячено питанням вiдповiдностi режиму навантажування номінальному режиму роботи при використаннi систем динамiчного навантажування для машин постiйного струму, коли навантаження має змiнний характер, дослiдженню фiзичних процесiв в МПС при випробуваннi iї методом динамiчного навантажування з впливом на обмотку якоря.
Eквівалентизацiю навантаження здiйснено в двох основних напрямках: аналiз гармонiчного складу струмiв якiрних секцiй i оцінка дiйсної навантажувальної спроможностi машин постiйного струму при використаннi методiв динамiчного навантажування.
Без впливу комутацiї струм секцiї якоря представлено у виглядi:
, (1)
де та - постiйна i змiнна складовi струму якоря,
- переключна функцiя колектора;
- резонансна частота навантажування, 1/с.
В загальному виглядi одержано - при динамiчному навантажуваннi струм -ої секцiї обмотки якоря для :
. (2)
У випадку, коли , розклад на гармонiки мiстить в своєму складi не лише косинуси, але i синуси:
. (3)
На мал.1 зображено спектральний склад струму якiрної обмотки. На мал.1,а) - при навантажуваннi постiйним струмом. Наявнiсть вищих гармонiчних оцiнено у вiдношеннi до амплiтуди основної хвилi при навантажуваннi постiйним струмом: на мал.1,б)-д) представлено спектральний склад для значень а на мал.1,е)-ж) - для i вiдповiдно. На мал. 1,з) наведено склад вищих гармонiк для випадку, коли . Дослiдження показали, що для цiлих вiдношення гармонiчних "зсувається" з його збiльшенням, до того ж максимально виражені гармонiки, порядок яких найближче до . Найбiльш iдентичнi графiки а) i в), таким чином найбiльш близьке до традицiйного режиму навантажування за гармонiчним складом навантажування при частотi , крiм того, для непарних струми якiрної обмотки мiстять гармонiки парних порядкiв i навпаки - для парних . Подальше збiльшення частоти викликає надмiрнi додатковi витрати, пропорцiйнi квадрату частоти.
У випадку, якщо резонансна частота не кратна , струм секцiї якiрної обмотки в загальному виглядi:
, (4)
гармонiчний склад не вiдповiдає роботi в звичайному режимi.
Також дослiджено форму струму якiрних секцiй з урахуванням комутацiї, однак гармонiчний склад струму при цьому змiниться неiстотно, не бiльш нiж на 1-2 %.
При еквiвалентизацiї навантаження розглянуто паралельно режими роботи eлектричної машини (створення еквiвалентних умов роботи, одержання характеристик, що вiдповiдають за iнформативнiстю робочим характеристикам, вiдбиваючих необхiднi вiдомостi про машину) i параметри eлектричної машини (утрати i опори, граничнi та номінальнi значення параметрiв, коефiцiєнти для переходу вiд режиму динамiчного навантажування до звичайного, оцiнки параметрiв на базi проведених випробувань).
Основними показниками навантажувальної спроможностi eлектричної машини є струмове навантаження i механiчна потужнiсть на валу.
Визначивши в режимi ДН утрати eлектричної машини, можна оцiнити її навантажувальну спроможнiсть. Виникають наступнi можливостi:
- визначити в режимi динамiчного навантажування всi складовi утрат, знаючи вiдповiднi коефiцiєнти, перейти до утрат в робочому режимi;
- сформувати умови динамiчного навантажування таким чином, щоб навантажувальна спроможнiсть (або утрати) вiдповiдала робочiй, при цьому коефiцiєнти переходу вiд однiєї системи до іншої автоматично враховуються при настройцi параметрiв системи;
- знаючи номинальнi значення величин та їх значення, одержанi в результатi ДН, а також використовуючи коефiцiєнти перехода, визначити параметри - невiдомi i тi, що змiнили своє значення в процесi ремонта або експлуатацiї.
В ходi дослiджень зроблено аналiз особливостей енергетики процесу динамiчного навантажування. Порядок гармонiчних коливань у кривiй вихiдної напруги джерела живлення i кривiй струму можуть не спiвпадати. Форма кривої струму при динамiчнiм навантажуваннi вiдрiзняється вiд синусоїдальної, тому що звичайно мiстить постiйну i змiнну складовi. При несинусоїдальнiй напрузi живлення вищi гармонiки напруги викликають додатковi утрати, якi характеризуються потужнiстю викривлення. Активна складова потужностi визначається сумою механiчних i eлектричних утрат якiрного ланцюга. Змiна гармонiчного складу струму при незмiнному рiвнi похiдної дозволяє зробити перерозподiл утрат в електричнiй машинi. Визначення утрат важливо для оцiнки ККД i перевищення температури окремих частин машини, крiм того, утрати визначають економiчнiсть i надiйнiсть. Закон розподiлу утрат повинен забезпечувати оптимальний коефiцiєнт корисної дiї.
Зроблено припущення, що вiдмiннiсть пiд час динамiчного навантаження вiд викликано лише додатковим нагрiванням,
, де - коефiцiєнт навантаження. (5)
Визначивши в режимi ДН коефiцiєнт змiни опору , можна отримати температуру, що вiдповiдає звичайному режиму.
Пiд час динамiчного навантажування комутацiя i потенцiйнi умови на колекторi погiршуються, однак вираз для можна вважати достатнiм для розрахункiв. Крiм пульсацiйних утрат з'являються утрати, якi враховуються коефiцiєнтом Фiльда .
Коефiцiєнт збiльшення eлектричних утрат пiд час динамiчного навантажування ( = 1...1.1) . (6)
Для отримання треба змiнювати значення
В холодному станi , (7)
а для певної температури , (8)
Механiчнi утрати розглянуто таким чином:
, (9)
основна вiдмiна вiд викликана коливанням швидкостi .
, де , (10)
приблизно = 0.07...0.14.
Магнітнi утрати вiд змiнної складової потоку якоря при ДН складають 7...17% вiд магнітних утрат, викликаних основним потоком.
Iнша складова утрат в сталi, яка змiнюється в режимi ДН залежить вiд спiввiдношення . (11)
.(12)
Для = 1 i = 0.05...0.1 одержано: .
У третьому роздiлi розглянуто питання вибору основного обладнання та моделювання системи динамiчного навантажування з резонансним контуром.
Значнi недолiки систем динамiчного навантажування eлектричних машин - циркуляцiя потужностi мiж двигуном i джерелом живлення, а також завелика установлена потужнiсть обладнання. Бажаний результат можливо досягнути при установцi паралельних випробовуваному двигуну ланцюгiв, що дозволяють здiйснити живлення двигуна вiд двох або бiльш джерел, не зв'язаних один з одним енергетичними зв'язками. При цьому потужнiсть джерел складає 10-15% вiд потужностi навантажуваних машин. В традицiйних системах установлена потужнiсть перетворювального обладнання складає 110-125 % вiд потужностi навантажуваної машини.
Значна рiзниця в потужностях пояснюється тим, що при двох джерелах необхiдно використовувати додатковi реактивнi елементи (накопичувачi), якi забезпечуватимуть адекватнiсть енергообмiнних процесiв. Реактивними елементами можуть бути ємкiснi (зi статичною або з динамiчною ємкiстю) або індуктивнi накопичувачi.
При використаннi системи навантажування з ємкiсним накопичувачем необхiдно, щоб систему було налагоджено на резонанс, тому що в цьому випадку реактивнi потужностi ємкостi i власної индуктивностi двигуна циркулюють у замкненому контурi, не здiйснюючи вплив на живлячу мережу.
Принципова схема розробленої системи навантажування електропривода постiйного струму з резонансним контуром приведена на мал.2,а. Тиристорний перетворювач ТП - типовий тиристорний випрямляч, потужнiсть якого приймається з урахуванням тiльки постiйної складової струму . Індуктивнiсть - індуктивнiсть фiльтра, що забезпечує зниження змiнної складової струму вiд джерела змiнної частоти. Перетворювач частоти - тиристорний або машинний перетворювач з синусоїдним виходом, амплiтудою i частотою, що регулюються.
Еквiвалентна схема замiщення системи навантажування електропривода постiйного струму з резонансним контуром буде мати вигляд ( мал.2,б ) де - внутрiшнiй опiр джерела постiйного струму. Ємкостi , iндуктивностi i утворюють резонансний контур для частоти .
Значення струмiв i напруг можно визначити, скориставшись принципом накладення струмiв вiд i .
Для налагодження резонансу використовується змiнна ємкiсть, або змi-нюється частота на виходi перетворювача частоти. При одержимо: , або при . (13)
Використання традицiйних методiв аналiтичного дослiдження занадто ускладнено великою кiлькiстю дослiджуваних параметрiв. Використання розробленої моделi збiльшує достовiрнiсть розрахункiв, забезпечує надiйнiсть наступної експлуатацiї, дозволяє обмежитись мiнiмальною кiлькiстю експериментiв, необхiдних при створеннi i налагодженнi промислового варiанту системи навантажування.
Математичну модель прийнято у виглядi:
(14)
Вираз для ємкостi конденсатора, що забезпечує резонанс, отримаємо, скориставшись методом активного двополюсника.
. (15)
Розроблена математична модель дозволяє також дослiджувати гармонiчний склад з урахуванням комутацiї, порiвнювати вмiст вищих гармонiчних для рiзних спiввiдношень резонансної частоти контура змiнного струму i власної частоти обертання двигуна. Розрахунок здiйснюється з точнiстю до 0.5% у вiдношеннi до основної гармонiчної змiнної складової. Отримано базу коефiцiєнтiв для переходу вiд режимiв динамiчного навантажування до традицiйних, що дозволяють провести уточнення параметрiв випробовуваного двигуна за результатами проведених випробувань.
Розроблена модель дозволяє також комплексно пiдiйти до проблеми дослiдження, об'єднати аналiз переходних процесiв з питанням вибору обладнання i побудови системи регулювання. З'являється можливiсть використати готову модель для програмного забезпечення дiючої системи в реальному масштабi часу ( створення "експертних" систем управлiння i т.п.), для урахування додаткових факторiв, характерних для конкретного типу випробовуваних двигунiв.
Метою дослiджень, основнi етапи i результати яких приведено в даному роздiлi, є створення методики вибору електрообладнання для систем навантажування з резонансним контуром. Дослiдження грунтуються на аналiзi варiантiв схемних рiшень, що дозволяють визначити спiввiдношення параметрiв елементiв системи навантажування i параметрiв випробуваного двигуна. Основним критерiєм вибору є забезпечення заданого режиму навантажування. При цьому сумарна установлена потужнiсть електрообладнання i потужнiсть, що поступає з живлячої мережi, повиннi бути мiнiмальнi.
Наведено деякi загальнi рекомендацiї по вибору окремих елементiв системи навантажування з резонансним контуром, в тому числi обумовленi вiдокремленням джерел живлення.
Сумарна установлена потужнiсть обладнання
, (16)
де - потужнiсть випробуваного двигуна .
, (17)
де - конструктивний коефiцiєнт, .
Вiдношення має минiмальне значення при . Найбiльш економiчно приймати вiдношення в межах 15-30.
Дослiджено вплив частоти змiнної складової на необхiдне значення установленої потужностi обладнання. Для :
, (18)
де - резонансна частота навантажування, 1/с;
i - параметри, якi визначаються потужнiстю випробуваного двигуна, ; при цьому змiнюється для кожного .
Для i залежнiсть буде лiнiйною.
На мал.3 наведено залежностi для рiзних значень . Як видно, оптимальнi робочi частоти ( з точки зору мiнiмуму установленої потужностi обладнання ) знаходяться в межах 100-200 Гц.
В четвертому роздiлi досліджується створення системи управлiння, яка враховує особливостi об’єкту, що розглядається - навантажувального пристрою з резонансним контуром. Визначено необхiднi рiвнi управлiння i вiдповiднi контури регулювання:
) Для створення режиму, найбiльш економiчного щодо споживання електроенергiї та зниження установленої потужностi обладнання, при випробуваннi електричних машин одним з методiв динамiчного навантажування в контурi змiнного струму повинно вiдбуватися явище резонансу. При налагодженнi резонансу контрольованою ознакою є кут фазового зсуву мiж струмом i напругою, а керуючим впливом - частота змiнної складової.
) При контролi i регулюваннi навантаження реалiзацiя регулятора здiйснюється за рахунок оцiнки ефективного значення несинусоїдальної величини, а саме - струму якiрного ланцюга. Керуючим впливом при цьому виступає амплiтуда змiнної складової.
Запропоновано схемнi рiшення регуляторiв на базi цифрової та аналогової технiки. Узгодження роботи регуляторiв i завдання режимiв навантажування, обробка отриманої iнформацiї здiйснюється керуючою ЕОМ.
На мал.4 подано алгоритм роботи регуляторiв. Математичне моделювання системи керування дозволило оцiнити її швидкодiю - 5-6 секунд для запуску та 2-3 секунди при змiнi керуючого впливу.
В п’ятому роздiлi викладено особливостi та результати експериментальних дослiджень у лабораторних умовах фізичної моделi системи динамiчного навантажування з резонансним контуром для ДПС, результати та перспективи застосування системи в виробничих умовах.
Пiд час експерименту отримано залежність струму i напруги якірного ланцюга при змiнюваннi резонансної частоти для рiзних значень швидкостi двигуна. Виконано дослiдження резонансних характеристик системи навантажування. Визначено параметри двигуна згiдно з розробленими методиками. Пiдтверджено теоретичнi висновки вiдносно вибору оптимальної частоти змiнної складової.
Впровадження системи динамічного навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму в умовах електроремонтного цеху Криворізького державного залізорудного комбінату дозволило вдвічі знизити установлену потужнiсть силових перетворювачів та зменшити витрати електроенергiї під час навантаження на 32%.
Основнi висновки по роботi:
1.Аналiз тенденцiй розвитку обладнання для випробувань електричних машин постiйного струму показав можливiсть i доцiльнiсть створення i використання систем динамiчного навантажування з резонансним контуром, що дозволить обмежити установлену потужність використовуваного обладнання та знизити витрати електроенергії.
.Дослiдження фiзичних процесiв в електричнiй машинi в умовах динамiчного навантаження, аналiз гармонiчного складу струмiв якiрних секцiй, пiдтвердили аналогiю мiж режимами динамiчного навантажування i робочими режимами двигуна постiйного струму. При дослiдженнi гармонiчного складу оцiнено похибку кожного з використаних методiв (без урахування впливу комутацiї максимальна похибка складає 2 %), порiвняльна оцiнка значень, отриманих при використаннi кожного з методiв, пiдтвердила їх достовiрнiсть.
.Розроблено iнженерну методику еквiвалентизацiї робочих режимiв машини постiйного струму i режиму динамiчного навантажування за критерiями навантаження: ефективному значенню струму якоря, гармонiчному складу i вживанiй потужностi; дослiджено її застосування при формуваннi режимiв роботи системи навантаження в двох напрямках: визначити коефiцiєнти еквiвалентизацiї та забезпечити їх вiдповiднiсть звичайному режиму.
.Розроблена математична модель системи динамiчного навантажування з резонансним контуром дозволяє отримати залежностi параметрiв навантажувального режиму при варiацiї констант резонансного контура, виконати дослiдження швидкодiї та якостi процесу регулювання струмового навантаження з впливом на частоту i напругу перетворювача частоти резонансного контура. Залежностi, отриманi в результатi моделювання, пiдтверджують справедливiсть аналiтичних посилок.
.Запропоновано методику вибору параметрiв системи навантажування, яка забезпечує оптимальне спiввiдношення потужностей використовуваного електрообладнання (дозволяє мiнiмiзувати сумарну установлену потужнiсть i знизити споживання електроенергiї); запропонованi залежностi можливо використовувати при створеннi, проектуваннi систем динамiчного навантажування з резонансним контуром. Пiдтверджено зробленi висновки, що установлена потужнiсть джерела живлення у випадку резонансу не перевищує 20% максимальної потужностi випробовуваного двигуна. Це дозволяє також використовувати один комплект обладнання для випробувань двигунів цілого ряду номінальних потужностей.
.Розроблено систему керування, яка мiстить пусковой регулятор, систему стабiлiзацiї навантаження, а також пристрiй для налагодження резонансу в контурi навантажування. Порiвняльна оцiнка результатiв роботи системи з системою керування i без неї дозволила визначити ефективнiсть її застосування - зменшення часу випробувань на 12 % та збільшення їх інформативності.
.Розроблені програми розрахункiв на персональнiй ЕОМ дозволяють дослiджувати особливостi формування динамiчних режимiв навантажування машин постiйного струму.
.Виконанi експериментальнi дослiдження пiдтвердили основнi теоретичнi положення, сформульованi в роботi. Розбіжність отриманих характеристик з розрахунковими не перевищує 8%.
Основнi положення дисертацiї опублiковано в наступних роботах:
. Использование устройств динамического нагружения при модернизации испытательных станций электродвигателей / Родькин Д.И., Веласко А. Х., Величко Т. В., Кришковец И. В., Нечаева С.В. // Изв. ВУЗов "Горный журнал". - 1995 г.- № 9.- С. 104-111
. Системы нагружения электрических машин с резонансным контуром в силовых цепях / Родькин Д.И., Нечаева С. В. - Кривой Рог, 1995 г. - Деп. в ГНТБ Украины 15.11.95 г., № 2388 - Ук95.
. Нечаева С.В. Эквивалентизация потерь мощности ДПТ технологических механизмов в режиме знакопеременной нагрузки // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 1997г. - Вып.61. - С.81-86.
. Нечаева С.В., Родькин Д.И. Анализ токовой нагрузки ДПТ в динамических режимах // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 1997г. - Вып.61. - С.76-81.
. Нечаева С. В. Применение математической модели для эквивалентизации нагрузки в системах динамического нагружения - Технiчна електродинамiка.- Спецiальний випуск.-Iн-т електродин. НАН України.- Київ. –г. - С.156-158.
. Нечаева С.В. Принципы управления системами нагружения с резонансным контуром. // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 1998г. - Вып.62. - С.86-89
. Параметры электрооборудования систем нагружения с емкостным накопителем для машин постоянного тока / Нечаева С.В., Родькин Д.И., Усенко М.А. // Изв. ВУЗов "Горный журнал". - 1998 г.- № 5-6.- С. 121-126
8. Нечаева С.В. Эффективные системы нагружения двигателей постоянного тока // Придніпровський науковий вісник. - Дніпр-ськ. - Наука і освіта. - 1998г. - Вип.29. –C.95-97
Власний внесок автора в роботах, опублiкованих разом з спiвавторами полягає в наступному: в / 1 / розглянуто можливiсть створення систем навантажування на базi наявного обладнання, з використанням додаткових пристроїв, / 2 / - розглянуто можливiсть використання системи динамiчного навантажування з резонансним контуром для випробовувань електричних машин, / 4 / - зроблено аналiз гармонiчного складу струмiв якiрних секцiй ДПС пiд час динамiчного навантажування, з метою еквiвалентизацiї теплових режимiв, / 7 / - розроблено методику вибору обладнання для створення систем динамiчного навантажування з резонансним контуром.
Анотацiя.
Нечаєва С.В. Системa динамiчного навантажування з резонансним контуром для двигунiв постiйного струму. - Рукопис.
Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спецiальнiстю 05.09.03 - Електротехнiчнi комплекси та системи. - Нацiональна гiрнича академiя України, Дніпропетровськ, 1999.
Дисертацiю присвячено питанням формування струмового навантаження в системi навантажування з резонансним контуром. Аналiзується вiдповiднiсть процесiв у якорному колi при традицiйному навантажуваннi та в режимi динамiчного навантажування, їх еквiвалентизацiя з точки зору гармонiчного складу, а також особливостi визначення навантажувальної спроможностi ДПС. Дослiджено основнi утрати, що виникають в електричнiй машинi в результатi динамiчного навантажування. Наведено рекомендацiї до вибору параметрiв системи навантажування, що дозволяють мiнiмізувати витрати на обладнання. Запропоновано методику створення системи керування.
Ключовi слова: випробування, електричнi машини, динамiчне навантажування, резонансний контур, еквiвалентизацiя навантаження.
Аннотация.
Нечаева С.В. Системa динамического нагружения с резонансным контуром для двигателей постоянного тока. - Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. –Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 1999.
Диссертация посвящена вопросам формирования токовой нагрузки в системе нагружения с резонансным контуром. Предложено разделение контуров постоянного и переменного токов в системе динамического нагружения двигателей постоянного тока с воздействием на обмотку якоря, что, в отличие от формирования постоянной и переменной составляющих тока нагрузки одним источником питания, позволяет уменьшить установленную мощность используемого электрооборудования и энергопотребление в процессе испытаний электрических машин. При наличии резонанса в контуре источника переменного напряжения реактивные мощности собственной индуктивности двигателя и дополнительной емкости циркулируют в замкнутом контуре, не влияя на питающую сеть.
Анализируется соответствие процессов в якорной цепи при традиционном нагружении и в режимах динамического нагружения, их эквивалентизация по предложенным критериям нагружения: эффективному значению тока якоря, гармоническому составу и потребляемой мощности. С помощью предложенных коэффициентов оценивается увеличение составляющих потерь мощности при динамическом нагружении по сравнению с обычной работой двигателя при номинальной нагрузке. Исследована зависимость величины необходимой установленной мощности электрооборудования от частоты переменной составляющей тока. Приведены рекомендации по выбору параметров системы нагружения с резонансным контуром для двигателей постоянного тока, позволяющие минимизировать затраты на оборудование при создании и модернизации систем динамического нагружения. На базе анализа вариантов схемных решений определено соотношение параметров элементов системы нагружения и параметров испытуемого двигателя.
Установленная мощность источников постоянного и переменного напряжения составляет соответственно 15 и 20% от номинальной мощности испытуемого двигателя. Предложенная система нагружения с резонансным контуром для двигателей постоянного тока является универсальной, позволяя использовать один комплект оборудования для испытания двигателей целого ряда номинальных мощностей. Разработанная математическая модель позволяет исследовать функционирование системы нагружения с резонансным контуром, взаимное влияние элементов резонансного контура и определять их параметры.
Предложена методика создания системы управления с учетом особенностей динамического нагружения двигателей постоянного тока в системе с резонансным контуром. В исследуемой системе нагружения предусмотрены автоматическая настройка резонансной частоты, стабилизация токовой нагрузки и получение информации о состоянии электрической машины по результатам испытаний. Проведены экспериментальные исследования резонансных характеристик системы нагружения. Основные результаты работы получили применение при проектировании и создании испытательной станции для двигателей постоянного тока.
Ключевые слова: испытания, электрические машины, динамическое нагружение, резонансный контур, эквивалентизация нагрузки.
ABSTRACT
Nechaeva S.V. System by dynamic loading motors of direct current with rezonansable contour. - Manuscript.
Thesis for a candidat's degree by speciality 05.09.03 - Electrotechnical complexes and systems. –National Mining Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1999.
The dissertation is devoted to forming current load for loading system with rezonansable contour. Conformity of processes in rotor chain by traditional loading and in regimes of dynamic loading, their equivalentation in aspect harmonic composition, also peculiarities of motors of direct current loading ability definition have been analysing. Main losses, taken place inside electrical machine in consequence dynamic loading have been researched. Recommendations for choice of parameters of loading system, permited to minimize expenditure for equipment have been adduced. Technique of control system creation has been proposed.
Key words: tests, electrical machines, dynamic loading, rezonansable contour, equivalentation of load.