Помощь студентам в учебе
КОСВЕННЫЙ КОНТРОЛЬ ВЫХОДНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И АНАЛИЗ НАУЧНОТЕХНИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК, СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ
МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ АСИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ 12
1.1 Необходимость косвенного контроля переменных в технологических
процессах 12
1.2 Способы контроля выходных переменных асинхронного двигателя в
электроприводе 16
1.3 Выводы по главе 23
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ, АЛГОРИТМЫ И СПОСОБЫ КОСВЕННОГО КОНТРОЛЯ ВЫХОДНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ
ПЕРЕМЕННЫХ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 25
2.1 Математическое описание асинхронного электродвигателя с устройством
косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости 25
2.2 Алгоритмы и способы косвенного контроля электромагнитного момента и
угловой скорости асинхронного двигателя 36
2.3 Выводы по главе 47
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С УСТРОЙСТВОМ КОСВЕННОГО КОНТРОЛЯ ВЫХОДНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 49
3.1 Математическое моделирование электропривода с устройством
косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости при частотном скалярном управлении без учета ШИМ напряжения питания асинхронного двигателя 49
3.2 Математическое моделирование электропривода с устройством
косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости при частотном скалярном управлении с учетом квантования напряжения питания асинхронного двигателя 65
3.3 Математическое моделирование электропривода с устройством
косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости при частотном скалярном управлении с учетом ШИМ напряжения питания асинхронного двигателя 73
3.4 Математическое моделирование электропривода с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости при частотном векторном управлении с учетом ШИМ напряжения питания
асинхронного двигателя 87
3.5 Выводы по главе 90
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА С УСТРОЙСТВОМ КОСВЕННОГО КОНТРОЛЯ ВЫХОДНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 92
4.1 Описание экспериментальной установки 92
4.2 Результаты экспериментального исследования 94
4.3 Выводы по главе 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 98
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 100
ПРИЛОЖЕНИЕ 112
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И АНАЛИЗ НАУЧНОТЕХНИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК, СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ
МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ АСИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ 12
1.1 Необходимость косвенного контроля переменных в технологических
процессах 12
1.2 Способы контроля выходных переменных асинхронного двигателя в
электроприводе 16
1.3 Выводы по главе 23
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ, АЛГОРИТМЫ И СПОСОБЫ КОСВЕННОГО КОНТРОЛЯ ВЫХОДНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ
ПЕРЕМЕННЫХ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 25
2.1 Математическое описание асинхронного электродвигателя с устройством
косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости 25
2.2 Алгоритмы и способы косвенного контроля электромагнитного момента и
угловой скорости асинхронного двигателя 36
2.3 Выводы по главе 47
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С УСТРОЙСТВОМ КОСВЕННОГО КОНТРОЛЯ ВЫХОДНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 49
3.1 Математическое моделирование электропривода с устройством
косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости при частотном скалярном управлении без учета ШИМ напряжения питания асинхронного двигателя 49
3.2 Математическое моделирование электропривода с устройством
косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости при частотном скалярном управлении с учетом квантования напряжения питания асинхронного двигателя 65
3.3 Математическое моделирование электропривода с устройством
косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости при частотном скалярном управлении с учетом ШИМ напряжения питания асинхронного двигателя 73
3.4 Математическое моделирование электропривода с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости при частотном векторном управлении с учетом ШИМ напряжения питания
асинхронного двигателя 87
3.5 Выводы по главе 90
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА С УСТРОЙСТВОМ КОСВЕННОГО КОНТРОЛЯ ВЫХОДНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 92
4.1 Описание экспериментальной установки 92
4.2 Результаты экспериментального исследования 94
4.3 Выводы по главе 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 98
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 100
ПРИЛОЖЕНИЕ 112
Актуальность темы. В настоящее время асинхронные двигатели являются основой электроприводов (ЭП) в большинстве технологических установок и комплексов.
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АД) наиболее просты по конструкции, обладают высокими эксплуатационными характеристиками из-за отсутствия в его конструкции контактных узлов и постоянных магнитов, надежны, имеют низкую стоимость по сравнению с другими типами двигателей, минимальную требовательность к обслуживанию, что обусловило широкое распространение АД во всех без исключения отраслях промышленности.
При эксплуатации современных электроприводов, например насосных агрегатов в системах передачи жидкости (СПЖ), возникает постоянная потребность контроля механических выходных переменных АД, который позволяет иметь информацию о технологических параметрах насосных агрегатов, проводить мониторинг загруженности двигателей, и поддерживать скорость в заданных пределах.
С развитием полупроводниковой техники появилась реальная возможность регулирования частоты вращения АД для обеспечения требуемых технологических параметров СПЖ. Применение статических преобразователей частоты позволяет управлять АД насосной станции в соответствии с заданными режимами технологического процесса СПЖ. Кроме того, знание текущих значений параметров и состояния асинхронных двигателей позволяет осуществлять контроль технологического процесса СПЖ и режима работы АД, в процессе работы АД контролировать его техническое состояние, проводить диагностирование с выявлением на ранних этапах появляющихся дефектов, чтобы вовремя их устранить. Однако не во всех технологических процессах СПЖ возможно применение регулируемых ЭП с преобразователями частоты.
Вопросами решения задач идентификации параметров и контроля выходных переменных АД, а также технических решений для их реализации занимались и продолжают заниматься ученые различных стран. Большой вклад в исследования этой области внесли: Чиликин М. Г., Копылов И.П., Рудаков В.В., Потапов Л.А., Масандилов Л.Б., Юферов Ф.М., Тун А.Я., Москаленко В.В., Старокожев. А.И., Сошкин, В.П., Рыбальченко Ю.И., Левинтов С.Д., Борисов А.М., Лейтман М.Б., Нестеровский А.В., Столяров И.М., Дартау В.А., Мельников В.Ю., Кибартас В.В., Бородацкий Е.Г., Зигангирова Е.В., Изосимов, Д. Б., Виноградов А.Б., Каширских В.Г., Макаров В.Г., Holtz J. , Blaschke F., Okuyama T., Lawrenson P. J., Harris M. R., Peter Vas, Schroder D., Tung-Hai Chin, Matsuse, K., Marchesoni, M., Segarich P., Soressi E. и др.
В большинстве случаев можно проводить контроль механических выходных переменных электропривода непосредственно. В этом случае используются датчики скорости и момента, реализованные на основе дополнительных, встраиваемых в электродвигатель или механически присоединенных к нему микромашин постоянного или переменного тока, а также других специальных устройств. Однако эти устройства имеют достаточно высокую стоимость и сложность, при этом требуется тщательная установка датчиков, а их механическое сочленение с вращающимися частями исполнительного механизма приводит к увеличению массогабаритных показателей и снижению надежности электропривода.
В связи с этим возникает необходимость разработки устройств , использующих косвенный контроль для определения момента и скорости в электроприводе. При этом величина, которую контролируют, определяется косвенно через электрические переменные , определяемые легкодоступным способом.
Использование устройств косвенного контроля в асинхронном электроприводе (АЭП) имеет определенные преимущества:
- конструкция электропривода становится менее сложной;
- уменьшается его стоимость и массогабаритные показатели;
- нет необходимости в идущих от датчика проводов и в ремонте датчиков;
- увеличивается надежность;
- расширяется область применения;
- позволяет осуществлять наблюдение загрузки электродвигателей при изменении данных сети и потребителя;
- позволяет осуществлять контроль выходных координат АЭП с целью наблюдения за технологическим процессом.
На основании вышеизложенного, следует отметить, что большой объем научных работ в данном направлении и тот факт, что интенсивность публикаций не снижается, говорит о том, что вопрос разработки устройств, алгоритмов и способов косвенного контроля выходных механических переменных АД до сих окончательно не решен и является актуальным.
Объектом исследования является асинхронный электропривод с устройством косвенного контроля выходных механических переменных АД.
Предметом исследования является асинхронный электродвигатель с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости.
Целью работы является разработка и исследование электропривода с устройством косвенного контроля выходных механических переменных асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
- проведение обзора современного состояния и научно -технических разработок, способов контроля выходных механических переменных асинхронного электродвигателя;
- разработка математического описания асинхронного электродвигателя с устройством косвенного контроля выходных механических переменных, пригодного для обоснования на его основе способов контроля электромагнитного момента и угловой скорости асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором;
- получение аналитических зависимостей, позволяющих повысить точность контроля электромагнитного момента и угловой скорости, а также упростить математическое описание асинхронного двигателя с устройством косвенного контроля и их схемную реализацию;
- разработка алгоритмов и способов косвенного контроля
электромагнитного момента и угловой скорости АД в ЭП;
- разработка имитационных моделей частотно-управляемого электропривода с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором для исследования его динамических характеристик;
- экспериментальное исследование на макетном образце частотноуправляемого электропривода с устройством косвенного контроля выходных механических переменных в лабораторных условиях с целью проверки адекватности математических моделей и результатов теоретических исследований.
Методы исследования. При выполнении работы использовались аналитические, математические и экспериментальные методы исследования. В процессе аналитических и математических исследований использовались методы интегрального, дифференциального и операционного исчисления, а также методы математического и компьютерного моделирования
Численное решение разработанных математических уравнений и их моделирование было выполнено в программном пакете Matlab. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном стенде с использованием методов контроля, измерения и обработки результатов. Для проведения экспериментальных исследований использовалась программная среда Mex Bios со встроенным набором сервисов для управления электродвигателями.
Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием сопоставленных результатов теоретических исследований с результатами имитационного моделирования на ЭВМ и результатами, полученными экспериментальным путем, а также соответствием полученных результатов диссертационной работы с положениями теории электрических машин и электропривода.
На защиту выносятся:
- новые математические модели асинхронного двигателя с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости в электроприводе;
- аналитические зависимости асинхронного двигателя с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости, позволяющие проводить непрерывный контроль этих переменных в электроприводе с заданной точностью;
- алгоритмы и способы косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости асинхронного двигателя, в том числе и технические решения, защищенные 2 свидетельствами об официальной регистрации программ на ЭВМ, патентом на изобретение и 2 патентами на полезную модель;
- результаты исследований, полученные на основе разработанных имитационных моделей и экспериментально на лабораторном стенде.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана математическая модель асинхронного двигателя с устройством косвенного контроля выходных механических переменных, обеспечивающая контроль электромагнитного момента и угловой скорости в электроприводе и отличающаяся от известных, введением в математическое описание дополнительных переменных, учитывающих температуру проводников обмотки статора, частоту основной гармоники напряжения статора и температурный коэффициент, зависящий от материала проводника;
- предложены аналитические зависимости АД с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости, позволяющие упростить расчет их значений и проводить непрерывный контроль этих переменных;
- разработаны алгоритмы и способы косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости асинхронного двигателя, отличающиеся от известных повышенной точностью контроля значений момента и угловой скорости в динамических режимах работы электропривода и простотой реализации.
Практическая ценность работы состоит в разработке устройства косвенного контроля выходных механических переменных асинхронного двигателя для электроприводов общепромышленных механизмов, которое обладает новыми техническими решениями, защищенные патентами РФ и РК, позволяющее реализовать непрерывный контроль за изменением выходных механических переменных с целью поддержания и регулирования выходных параметров технологического процесса и раннего прогнозирования аварийных отключений электропривода по причине возникновения неисправностей со стороны асинхронного двигателя. Кроме того, разработанные имитационные модели АД с устройством косвенного контроля переменных позволяют проводить исследование асинхронных электроприводов имитационным путем без создания дорогостоящей физической модели.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований переданы для внедрения на ООО «Эле Тим» (Россия, г. Томск), ТОО «КФ КОТЭС» (Казахстан, г. Павлодар), а также используются в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных работ студентами кафедры электропривода и электрооборудования Энергетического института ТПУ и студентами департамента «Энергетика и Металлургия» Инновационного Евразийского Университета (Казахстан), что подтверждено соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях: Международная научно-практическая конференция «Экологические проблемы и перспективы применения чистых технологий для устойчивого развития регионов», Павлодар, 2005; Международная научно-практическая конференция
«Наука и образование в XXI веке: динамика развития в Евразийском пространстве», Павлодар, 2006; Международная научно-практическая
конференция «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», Омск, 2007; Международная научно-практическая конференция «Энерго-,
ресурсосберегающие технологии - основа индустриально-инновационного развития», Павлодар, 2008; Международная научно-практическая конференция «Life IT 2009: IT meets environmental and sustainable energy technologies», Hagen, Германия, 2009; Международная научно-практическая конференция
«Индустриально-инновационное развитие на современном этапе: состояние и перспективы», Павлодар, 2009; на Региональная научно-техническая конференция «Новые технологии на транспорте в энергетике и строительстве», Омск, 2010; XVI, XVII Всероссийские научно-практические конференции «Энергетика: Экология, надежность, безопасность», Томск, 2010-2011; II Международная научно-практическая конференция «Наука и образование в XXI веке: динамика развития в евразийском пространстве», Павлодар, 2011; XI Международная научно-практическая конференция «Пр о блемы и до стижения в промышленной энергетике», Екатеринбург, 2012; XIX Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2013; II Международном форуме «Интеллектуальные энергосистемы», Томск, 2014; IX Международная научно-практическая конференция «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2014; Международная IEEE-Сибирская конференция по управлению и связи «Sibcon», Омск, 2015 [ 22 - 33, 57, 60, 61, 64 - 67, 70 - 72, 94 - 97, 103].
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 28 работах. Из них 5 статей в изданиях из перечня, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в базе Scopus, 2 патента РФ на полезную модель, 1 патент РФ на изобретение, 3 свидетельства на программный продукт, 2 предварительных патента Республики Казахстан, 2 инновационных патента Республики Казахстан, 13 статей в сборниках докладов Международных и Всероссийских конференций.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 116 страниц машинописного текста, включая 61 рисунок, 4 таблицы, списка использованной литературы из 117 наименований и приложения на 4 страницах.
Работа выполнена в рамках гранта программы «Болашак» и ВИУ_ЭНИН_138_2014.
Автор выражает искреннюю и глубокую признательность за неоценимую помощь и ценные советы, оказанные при подготовке и выполнении исследований диссертационной работы, коллективу кафедры электропривода и электрооборудования Национального исследовательского Томского
политехнического университета, особенно к.т.н. Л.С. Удуту, Г.В. Радионову.
Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории «Микропроцессорные системы управления электроприводом» за поддержку и неоценимую помощь при проведении экспериментальных исследований на лабораторном стенде.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю к.т.н. Ю.Н. Дементьеву за любезно предоставленную возможность выполнить данную работу под его руководством на кафедре электропривода и электрооборудования Национального исследовательского Томского
политехнического университета, ценные советы и помощь на всех этапах выполнения данной работы.
Отдельную благодарность автор выражает своим родным и близким за понимание и поддержку на протяжении всего периода работы над диссертацией.
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АД) наиболее просты по конструкции, обладают высокими эксплуатационными характеристиками из-за отсутствия в его конструкции контактных узлов и постоянных магнитов, надежны, имеют низкую стоимость по сравнению с другими типами двигателей, минимальную требовательность к обслуживанию, что обусловило широкое распространение АД во всех без исключения отраслях промышленности.
При эксплуатации современных электроприводов, например насосных агрегатов в системах передачи жидкости (СПЖ), возникает постоянная потребность контроля механических выходных переменных АД, который позволяет иметь информацию о технологических параметрах насосных агрегатов, проводить мониторинг загруженности двигателей, и поддерживать скорость в заданных пределах.
С развитием полупроводниковой техники появилась реальная возможность регулирования частоты вращения АД для обеспечения требуемых технологических параметров СПЖ. Применение статических преобразователей частоты позволяет управлять АД насосной станции в соответствии с заданными режимами технологического процесса СПЖ. Кроме того, знание текущих значений параметров и состояния асинхронных двигателей позволяет осуществлять контроль технологического процесса СПЖ и режима работы АД, в процессе работы АД контролировать его техническое состояние, проводить диагностирование с выявлением на ранних этапах появляющихся дефектов, чтобы вовремя их устранить. Однако не во всех технологических процессах СПЖ возможно применение регулируемых ЭП с преобразователями частоты.
Вопросами решения задач идентификации параметров и контроля выходных переменных АД, а также технических решений для их реализации занимались и продолжают заниматься ученые различных стран. Большой вклад в исследования этой области внесли: Чиликин М. Г., Копылов И.П., Рудаков В.В., Потапов Л.А., Масандилов Л.Б., Юферов Ф.М., Тун А.Я., Москаленко В.В., Старокожев. А.И., Сошкин, В.П., Рыбальченко Ю.И., Левинтов С.Д., Борисов А.М., Лейтман М.Б., Нестеровский А.В., Столяров И.М., Дартау В.А., Мельников В.Ю., Кибартас В.В., Бородацкий Е.Г., Зигангирова Е.В., Изосимов, Д. Б., Виноградов А.Б., Каширских В.Г., Макаров В.Г., Holtz J. , Blaschke F., Okuyama T., Lawrenson P. J., Harris M. R., Peter Vas, Schroder D., Tung-Hai Chin, Matsuse, K., Marchesoni, M., Segarich P., Soressi E. и др.
В большинстве случаев можно проводить контроль механических выходных переменных электропривода непосредственно. В этом случае используются датчики скорости и момента, реализованные на основе дополнительных, встраиваемых в электродвигатель или механически присоединенных к нему микромашин постоянного или переменного тока, а также других специальных устройств. Однако эти устройства имеют достаточно высокую стоимость и сложность, при этом требуется тщательная установка датчиков, а их механическое сочленение с вращающимися частями исполнительного механизма приводит к увеличению массогабаритных показателей и снижению надежности электропривода.
В связи с этим возникает необходимость разработки устройств , использующих косвенный контроль для определения момента и скорости в электроприводе. При этом величина, которую контролируют, определяется косвенно через электрические переменные , определяемые легкодоступным способом.
Использование устройств косвенного контроля в асинхронном электроприводе (АЭП) имеет определенные преимущества:
- конструкция электропривода становится менее сложной;
- уменьшается его стоимость и массогабаритные показатели;
- нет необходимости в идущих от датчика проводов и в ремонте датчиков;
- увеличивается надежность;
- расширяется область применения;
- позволяет осуществлять наблюдение загрузки электродвигателей при изменении данных сети и потребителя;
- позволяет осуществлять контроль выходных координат АЭП с целью наблюдения за технологическим процессом.
На основании вышеизложенного, следует отметить, что большой объем научных работ в данном направлении и тот факт, что интенсивность публикаций не снижается, говорит о том, что вопрос разработки устройств, алгоритмов и способов косвенного контроля выходных механических переменных АД до сих окончательно не решен и является актуальным.
Объектом исследования является асинхронный электропривод с устройством косвенного контроля выходных механических переменных АД.
Предметом исследования является асинхронный электродвигатель с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости.
Целью работы является разработка и исследование электропривода с устройством косвенного контроля выходных механических переменных асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
- проведение обзора современного состояния и научно -технических разработок, способов контроля выходных механических переменных асинхронного электродвигателя;
- разработка математического описания асинхронного электродвигателя с устройством косвенного контроля выходных механических переменных, пригодного для обоснования на его основе способов контроля электромагнитного момента и угловой скорости асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором;
- получение аналитических зависимостей, позволяющих повысить точность контроля электромагнитного момента и угловой скорости, а также упростить математическое описание асинхронного двигателя с устройством косвенного контроля и их схемную реализацию;
- разработка алгоритмов и способов косвенного контроля
электромагнитного момента и угловой скорости АД в ЭП;
- разработка имитационных моделей частотно-управляемого электропривода с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором для исследования его динамических характеристик;
- экспериментальное исследование на макетном образце частотноуправляемого электропривода с устройством косвенного контроля выходных механических переменных в лабораторных условиях с целью проверки адекватности математических моделей и результатов теоретических исследований.
Методы исследования. При выполнении работы использовались аналитические, математические и экспериментальные методы исследования. В процессе аналитических и математических исследований использовались методы интегрального, дифференциального и операционного исчисления, а также методы математического и компьютерного моделирования
Численное решение разработанных математических уравнений и их моделирование было выполнено в программном пакете Matlab. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном стенде с использованием методов контроля, измерения и обработки результатов. Для проведения экспериментальных исследований использовалась программная среда Mex Bios со встроенным набором сервисов для управления электродвигателями.
Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием сопоставленных результатов теоретических исследований с результатами имитационного моделирования на ЭВМ и результатами, полученными экспериментальным путем, а также соответствием полученных результатов диссертационной работы с положениями теории электрических машин и электропривода.
На защиту выносятся:
- новые математические модели асинхронного двигателя с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости в электроприводе;
- аналитические зависимости асинхронного двигателя с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости, позволяющие проводить непрерывный контроль этих переменных в электроприводе с заданной точностью;
- алгоритмы и способы косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости асинхронного двигателя, в том числе и технические решения, защищенные 2 свидетельствами об официальной регистрации программ на ЭВМ, патентом на изобретение и 2 патентами на полезную модель;
- результаты исследований, полученные на основе разработанных имитационных моделей и экспериментально на лабораторном стенде.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана математическая модель асинхронного двигателя с устройством косвенного контроля выходных механических переменных, обеспечивающая контроль электромагнитного момента и угловой скорости в электроприводе и отличающаяся от известных, введением в математическое описание дополнительных переменных, учитывающих температуру проводников обмотки статора, частоту основной гармоники напряжения статора и температурный коэффициент, зависящий от материала проводника;
- предложены аналитические зависимости АД с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости, позволяющие упростить расчет их значений и проводить непрерывный контроль этих переменных;
- разработаны алгоритмы и способы косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости асинхронного двигателя, отличающиеся от известных повышенной точностью контроля значений момента и угловой скорости в динамических режимах работы электропривода и простотой реализации.
Практическая ценность работы состоит в разработке устройства косвенного контроля выходных механических переменных асинхронного двигателя для электроприводов общепромышленных механизмов, которое обладает новыми техническими решениями, защищенные патентами РФ и РК, позволяющее реализовать непрерывный контроль за изменением выходных механических переменных с целью поддержания и регулирования выходных параметров технологического процесса и раннего прогнозирования аварийных отключений электропривода по причине возникновения неисправностей со стороны асинхронного двигателя. Кроме того, разработанные имитационные модели АД с устройством косвенного контроля переменных позволяют проводить исследование асинхронных электроприводов имитационным путем без создания дорогостоящей физической модели.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований переданы для внедрения на ООО «Эле Тим» (Россия, г. Томск), ТОО «КФ КОТЭС» (Казахстан, г. Павлодар), а также используются в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных работ студентами кафедры электропривода и электрооборудования Энергетического института ТПУ и студентами департамента «Энергетика и Металлургия» Инновационного Евразийского Университета (Казахстан), что подтверждено соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях: Международная научно-практическая конференция «Экологические проблемы и перспективы применения чистых технологий для устойчивого развития регионов», Павлодар, 2005; Международная научно-практическая конференция
«Наука и образование в XXI веке: динамика развития в Евразийском пространстве», Павлодар, 2006; Международная научно-практическая
конференция «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», Омск, 2007; Международная научно-практическая конференция «Энерго-,
ресурсосберегающие технологии - основа индустриально-инновационного развития», Павлодар, 2008; Международная научно-практическая конференция «Life IT 2009: IT meets environmental and sustainable energy technologies», Hagen, Германия, 2009; Международная научно-практическая конференция
«Индустриально-инновационное развитие на современном этапе: состояние и перспективы», Павлодар, 2009; на Региональная научно-техническая конференция «Новые технологии на транспорте в энергетике и строительстве», Омск, 2010; XVI, XVII Всероссийские научно-практические конференции «Энергетика: Экология, надежность, безопасность», Томск, 2010-2011; II Международная научно-практическая конференция «Наука и образование в XXI веке: динамика развития в евразийском пространстве», Павлодар, 2011; XI Международная научно-практическая конференция «Пр о блемы и до стижения в промышленной энергетике», Екатеринбург, 2012; XIX Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2013; II Международном форуме «Интеллектуальные энергосистемы», Томск, 2014; IX Международная научно-практическая конференция «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2014; Международная IEEE-Сибирская конференция по управлению и связи «Sibcon», Омск, 2015 [ 22 - 33, 57, 60, 61, 64 - 67, 70 - 72, 94 - 97, 103].
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 28 работах. Из них 5 статей в изданиях из перечня, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в базе Scopus, 2 патента РФ на полезную модель, 1 патент РФ на изобретение, 3 свидетельства на программный продукт, 2 предварительных патента Республики Казахстан, 2 инновационных патента Республики Казахстан, 13 статей в сборниках докладов Международных и Всероссийских конференций.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 116 страниц машинописного текста, включая 61 рисунок, 4 таблицы, списка использованной литературы из 117 наименований и приложения на 4 страницах.
Работа выполнена в рамках гранта программы «Болашак» и ВИУ_ЭНИН_138_2014.
Автор выражает искреннюю и глубокую признательность за неоценимую помощь и ценные советы, оказанные при подготовке и выполнении исследований диссертационной работы, коллективу кафедры электропривода и электрооборудования Национального исследовательского Томского
политехнического университета, особенно к.т.н. Л.С. Удуту, Г.В. Радионову.
Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории «Микропроцессорные системы управления электроприводом» за поддержку и неоценимую помощь при проведении экспериментальных исследований на лабораторном стенде.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю к.т.н. Ю.Н. Дементьеву за любезно предоставленную возможность выполнить данную работу под его руководством на кафедре электропривода и электрооборудования Национального исследовательского Томского
политехнического университета, ценные советы и помощь на всех этапах выполнения данной работы.
Отдельную благодарность автор выражает своим родным и близким за понимание и поддержку на протяжении всего периода работы над диссертацией.
По результатам, проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, можно сделать следующие выводы:
1. Разработана математическая модель электропривода с устройством косвенного контроля выходных механических переменных асинхронного двигателя, обеспечивающая непрерывный контроль электромагнитного момента и угловой скорости в электроприводе общепромышленного назначения.
2. Предложены аналитические зависимости математического описания асинхронного электродвигателя с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости, позволяющие с заданной точностью рассчитать значения и проводить контроль выходных механических переменных в электроприводе.
3. Для обеспечения требуемой точности контроля выходных механических переменных АД в аналитических зависимостях математического описания электропривода с устройством косвенного контроля предложено исключить интегральную составляющую переходом в ортогональную пару, используя преобразования Фурье, Эйлера, Парсеваля.
4. Разработаны алгоритмы и способы косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, которые позволяют проводить контроль выходных механических переменных асинхронного двигателя с повышенной точностью, и отличаются от известных простотой реализации схемных решений.
5. Исследованиями, проведенными на моделях частотно-управляемого ЭП
со скалярным и векторным управлениями установлено, что применение устройства косвенного контроля асинхронного двигателя в электроприводе позволяет осуществлять контроль электромагнитного момента и угловой скорости с точностью не более 10 %. Результаты моделирования, полученные при
исследовании частотно-управляемого электропривода с устройством косвенного контроля, подтверждают адекватность теоретических положений математического описания электропривода с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости асинхронного двигателя.
6. Установлено, что точность контроля электромагнитного момента и скорости в электроприводе с частотно-скалярным управлением не зависит от типа применяемого асинхронного двигателя и от учета ШИМ напряжения питания двигателя. Показано, что расхождение результатов измерения электромагнитного момента и угловой скорости с выхода асинхронного двигателя и устройства косвенного контроля составляет менее 10 %.
7. Полученные результаты экспериментальных исследований на лабораторном стенде подтверждают адекватность теоретических положений математического описания АД с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости в ЭП. Установлено, что значения электромагнитного момента и угловой скорости на лабораторном стенде реального АД и с устройства косвенного контроля имеют сходимость допустимую в инженерных расчетах, а значения погрешностей составляют не более 10 %.
1. Разработана математическая модель электропривода с устройством косвенного контроля выходных механических переменных асинхронного двигателя, обеспечивающая непрерывный контроль электромагнитного момента и угловой скорости в электроприводе общепромышленного назначения.
2. Предложены аналитические зависимости математического описания асинхронного электродвигателя с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости, позволяющие с заданной точностью рассчитать значения и проводить контроль выходных механических переменных в электроприводе.
3. Для обеспечения требуемой точности контроля выходных механических переменных АД в аналитических зависимостях математического описания электропривода с устройством косвенного контроля предложено исключить интегральную составляющую переходом в ортогональную пару, используя преобразования Фурье, Эйлера, Парсеваля.
4. Разработаны алгоритмы и способы косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, которые позволяют проводить контроль выходных механических переменных асинхронного двигателя с повышенной точностью, и отличаются от известных простотой реализации схемных решений.
5. Исследованиями, проведенными на моделях частотно-управляемого ЭП
со скалярным и векторным управлениями установлено, что применение устройства косвенного контроля асинхронного двигателя в электроприводе позволяет осуществлять контроль электромагнитного момента и угловой скорости с точностью не более 10 %. Результаты моделирования, полученные при
исследовании частотно-управляемого электропривода с устройством косвенного контроля, подтверждают адекватность теоретических положений математического описания электропривода с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости асинхронного двигателя.
6. Установлено, что точность контроля электромагнитного момента и скорости в электроприводе с частотно-скалярным управлением не зависит от типа применяемого асинхронного двигателя и от учета ШИМ напряжения питания двигателя. Показано, что расхождение результатов измерения электромагнитного момента и угловой скорости с выхода асинхронного двигателя и устройства косвенного контроля составляет менее 10 %.
7. Полученные результаты экспериментальных исследований на лабораторном стенде подтверждают адекватность теоретических положений математического описания АД с устройством косвенного контроля электромагнитного момента и угловой скорости в ЭП. Установлено, что значения электромагнитного момента и угловой скорости на лабораторном стенде реального АД и с устройства косвенного контроля имеют сходимость допустимую в инженерных расчетах, а значения погрешностей составляют не более 10 %.