CC BY
39
ренции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XV Бе-нардосовские чтения), 27-29 мая 2009 г. Иваново: ИЭГУ. Т.2., С.71-72
4. ГОСТ 2582-81. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия.
R Rodionov
The research ofpropulsion performance characteristics of city electric transport The research of propulsion performance characteristics of city electric transport is
shown.
Keywords: electric drive, control system.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:621/.69
А.С. Сарваров, д-р техн. наук, проф., декан, (3519) 23-57-50,
[email protected] (Россия, Магнитогорск, МГТУ),
М.Ю. Петушков, канд. техн. наук, доц., (3519) 22-72-79,
[email protected] (Россия, Магнитогорск, МГТУ),
А. Д. Стригов, канд. техн. наук, инженер ЦЭТЛ, (3519) 24-40-09,
[email protected] (Россия ,Магнитогорск, ОАО «ММК»),
И. А. Сарваров, инженер ЦЭТЛ, (3519) 24-40-09,
[email protected] (Россия ,Магнитогорск, ОАО «ММК»)
Д.М. Анисимов, гл. энергетик ГОП, (3519) 24-40-09, [email protected]
(Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»)
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПОСОБОВ ПУСКА МАШИНЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ ВАЛКОВ
Рассматриваются различные способы пуска машины центробежного литья валков, имеющей большой момент инерции. Приводится сравнение энергетических характеристик пуска. Обосновывается эффективность применения квазичастотного управления пуском машины.
Ключевые слова: пуск машины центробежного литья, энергетические характеристики пуска, квазичастотное управление пуском машины.
Прямой пуск является самым простым способом пуска АД с корот-козамкнутым ротором. В этом случае обмотка статора непосредственно подключается к сети. При его реализации возникают два неблагоприятных фактора:
пуск сопровождается броском статорного тока, достигающим 5 - 7-кратного значения по отношению к номинальному;
ударный электромагнитный момент, передающийся через вал двигателя на приводимый в движение механизм, на начальном этапе пуска содержит вынужденную составляющую в виде знакопеременного момента.
162
Рассмотрим последствия действия этих факторов. Большой начальный пусковой ток при частых пусках может привести к выходу из строя двигателя вследствие разрушения изоляции обмоток. Разрушение происходит по двум причинам: механические разрушения и снижение изоляционных характеристик из-за превышения допустимой температуры. Первая причина связана с тем, что на обмотки двигателя действуют электродинамические усилия, величина которых пропорциональна квадрату протекающего тока. Так как пусковой ток в 5-7 раз превышает номинальный, следовательно, в 25-49 раз возрастают электродинамические усилия, действующие на обмотки. Они приводят к механическим перемещениям обмотки в пазовой и лобовой частях, которые разрушают изоляцию [1]. Вторая причина - термическое разрушение изоляции - связана с тем, что обмотки АД подвергаются интенсивному нагреву, из-за больших пусковых токов. Выделяющееся при этом тепло не успевает отводиться в магнито-провод или наружу, что вызывает резкое увеличение температуры обмотки и, как следствие, изоляции. При превышении температурой изоляции установленного для нее порога в последней происходят необратимые физико-химические процессы, приводящие к ускоренному старению изоляции. Тепловыделение в обмотках пропорционально квадрату величины тока [2].
Значительные колебания электромагнитного момента АД на начальном этапе пуска, которые могут превышать 5 - 6-кратное значение номинального момента, отрицательно влияют на все элементы кинематической цепочки привода. В результате ударные нагрузки приводят к поломкам валов, соединительных муфт, редукторов и другим неполадкам.
Еще более неблагоприятны для асинхронных двигателей продолжительные пусковые режимы, так как с увеличением длительности прямого пуска увеличивается также и длительность воздействий его негативных факторов на электропривод. Затяжной пуск в высокоинерционных механизмах при больших токовых нагрузках может привести к перегреву двигателя и выходу его из строя.
Следует также заметить, что прямой пуск двигателя большой мощности, сопровождаемый протеканием значительных пусковых токов, сравнимых по величине с токами металлического короткого замыкания, приводит к глубоким просадкам напряжения питающей сети при каждой операции пуска, что отрицательно сказывается на работе, как других потребителей, так и самого двигателя (затягивание пуска). Такие явления могут быть в маломощной сети или при большом удалении от подстанции пускаемого двигателя. Поэтому пуск асинхронных двигателей без применения средств, ограничивающих пусковой ток, допускается лишь в том случае, если номинальная мощность двигателя не превышает 25 % мощности трансформатора, питающего электросеть цеха.
На рис. 1 представлены результаты моделирования прямого пуска двухдвигательного электропривода машины центробежного литья валков
при номинальном напряжении обмотки статора (кривая 1) и с учетом реализации двухдвигательной системы (кривая 2). Продолжительность пуска двухдвигательного электропривода согласно рис. 1 составляет ~ 80 с.
0)/0)0
1
0.8 0.6 0.4 0.2 0
м/мн
6
4 2 0 -2
Шя
6
4
2
°0 10 20 30 40 50 60 70 ( С£К 80
Рис. 1. Прямой пуск электропривода центробежной машины: 1 - при номинальном напряжении статора;
2 - в двухдвигательной системе
Анализ представленных осциллограмм позволяет говорить о том, что негативные факторы характерные для прямого пуска АД являются неприемлемыми в проектируемой системе электропривода. Во-первых, колебания развиваемого двигателем электромагнитного момента на начальном этапе пуска превышают величину допустимого момента Мб. Следовательно, в этой ситуации неизбежно возникнет срыв контакта между приводными роликами и кокилем. Во-вторых, большая кратность пускового тока и длительность его протекания приводят к перегреву изоляции обмоток двигателей. На осциллограммах моменты времени, когда температура обмотки достигнет предельно допустимой величины, отмечены знаком «х». На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что прямой пуск является неприемлемым для электропривода центробежной машины, так как приводит, во-первых, к срыву контакта между приводными роликами и кокилем на начальном этапе и, во-вторых, неизбежному перегреву изоляции обмоток.
1 1
Мб
\ \ ...м............г .х.......... 2 ..........-
}— ¥—-
1 1 : 1 1
В табл. 1 представлены параметры, характеризующие энергетическую эффективность прямого пуска.
Таблица 1
Энергетические характеристики прямого пуска электропривода
Величина напряжения Величина, кВт-ч
Жг Ж
Номинальное напряжение 2,0 1,48 7,82
С учетом схемы соединения обмоток 2,02 1,5 7,88
Анализ приведенных в табл. 1 данных позволяет говорить о том, что основные энергетические характеристики прямого пуска при номинальном напряжении и в двухдвигательной системы отличаются незначительно.
Пуск с ненулевыми начальными условиями (пофазный пуск)
Образование знакопеременных переходных моментов при пуске можно представить следующим образом. При коммутации статорных цепей двигателя возникает апериодическая свободная составляющая магнитного потока. Наводя в короткозамкнутой обмотке ротора апериодическую составляющую тока, свободная составляющая потока сцепляется с обмоткой и начинает вращаться в пространстве вместе с ротором. Если обмотка статора также замкнута, то наводимые в ней токи препятствуют перемещению свободной составляющей потока. В результате взаимодействия свободной составляющей тока ротора с установившейся составляющей потока образуется основная составляющая переходного электромагнитного момента. Частота пульсаций переходного момента изменяется с изменением скорости ротора, а их амплитуда уменьшается вместе с затуханием свободной составляющей потока. Пульсирующая переходная составляющая момента накладывается на его постоянную составляющую, образованную вынужденными составляющими магнитного потока и тока ротора. Совместное действие переходной и постоянной составляющих создает результирующий знакопеременный электромагнитный переходный момент .
Ограничение и даже полное подавление знакопеременных переходных моментов без снижения среднего пускового момента двигателя и, следовательно, его быстродействия может быть достигнуто путем создания благоприятных ненулевых начальных электромагнитных условий.
На практике безударный пуск должен осуществляться пофазным включением АД. Вначале включаются две фазы статора на линейное напряжение, а включение третьей фазы должно производится в момент времени, соответствующий любому из максимумов ее напряжения. Во избежание появления апериодической составляющей тока намагничивания при
подключении первых двух фаз, его необходимо также производить в максимуме линейного напряжения этих фаз. В связи с указанными особенностями реализации данный способ пуска получил название «пофазный».
В системах с нулевым проводом двухфазное включение двигателя следует производить в максимумах фазного напряжения каждой фазы. Для электропривода машины центробежного литья валков необходимо осуществлять независимую коммутацию токов в каждой из фаз двигателей, что делает ее аналогичной четырехпроводной системе. Следовательно, в нашем случае подключение обмоток двигателей необходимо производить в максимуме соответствующего линейного напряжения.
На рис. 2 представлены результаты моделирования пофазного пуска двухдвигательного электропривода центробежной машины. На полученных осциллограммах видно отсутствие знакопеременных колебаний электромагнитного момента на начальном этапе пуска, а величина развиваемого двигателем момента не превышает величины момента буксовки на протяжении всего времени пуска. Следовательно, при пофазном пуске в механической системе «ролики - кокиль» не возникнет срыва контакта.
со/а0
1
0.8 0.6 0.4 0.2
0
5
м/мн
4
3
2
1
0
6
///„
4
2
°0 10 20 30 40 50 60 70 í сек 80
Рис. 2. Пофазный пуск электропривода центробежной машины
На рис. 3 показан начальный этап (2 секунды) процесса разгона центробежной машины при пофазном и прямом пуске. На нем хорошо просматриваются знакопеременные переходные моменты, возникающие при прямом пуске, а также их отсутствие при пофазном. Величина среднего пускового момента при этом осталась такой же, как и при прямом пуске,
166
1
—----' 1 ! X - Перегрев
1 ..................!.......№... 1 1
_ -*-1---
| \ ! 1
что подтверждается совпадением графиков скоростей. Величина пускового тока также осталась на прежнем уровне. Это значит, что при пофазном пуске также произойдет перегрев изоляции обмоток. Таким образом, можно сделать вывод о том, что пофазный пуск также является неприемлемым для электропривода центробежной машины, так как приводит к неизбежному перегреву изоляции обмоток (см. рис. 2).
В табл. 2 представлены параметры, характеризующие энергетическую эффективность пофазного пуска.
Таблица 2
Энергетические параметры пофазного щ уска
Параметр АWмr Ж
Величина, кВт-ч 2,02 1,5 7,88
Рис. 3. Начальный этап процесса разгона центробежной машины при прямом и пофазном пуске
Полученные величины свидетельствуют о том, что электропотребление и потери в обмотках остаются такими же, как и при прямом пуске.
Пуск при фазовом управлении. Первоначальное назначение ТПН -уменьшение величины подводимого к обмоткам статора напряжения посредством фазового управления преобразователем. Основу фазового управления составляет изменение угла управления тиристорами а. Реализация управляемого пуска осуществляется изменением угла а в функции времени а=:Р(1;). В настоящий момент уровень технического развития систем ТПН-АД благодаря применению в них современных микропроцессорных устройств позволяет задавать практически любую зависимость а=:Р(1;). На построенной двухдвигательной модели системы ТПН-АД были произведены исследования процессов плавного пуска при реализации различных зависимостей угла а от времени:
а=сопБ1;, на всем протяжении процесса пуска величина угла а остается постоянной;
пуск с ограничением момента, зависимость а=:(1;) выбирается таким образом, чтобы исключить пробуксовки между приводными роликами и кокилем на начальном этапе пуска, а также в наименьшей степени повлиять на быстродействие электропривода;
пуск с поддержанием тока статора на одном уровне (токоограниче-ние), величина угла а в каждый момент времени в этом случае регулируется системой управления.
На рис. 4 представлены результаты моделирования плавного пуска двухдвигательного электропривода центробежной машины при реализации различных зависимостей а=:(1;).. На осциллограммах видно, что при реализации плавного пуска также происходит перегрев изоляции обмоток вне зависимости от используемого закона управления. Однако фазовое управление позволяет уменьшить величину знакопеременных переходных моментов двигателя и тем самым исключить пробуксовки между приводными роликами и кокилем на начальном этапе пуска.
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что пуск электропривода центробежной машины при фазовом управлении является неприемлемым, так как приводит к неизбежному перегреву изоляции обмоток.
В табл. 3 представлены параметры, характеризующие энергетическую эффективность пуска электропривода при фазовом управлении.
Таблица 3
Энергетические характеристики пускового режима электропривода _при фазовом управлении_
Фазовое Величина, кВт-ч
управление AWms Wr W
а = const 2,03 1,51 7,9
Ограничение пускового момента 2,03 1,51 7,9
Токоограничение 2,04 1,52 7,92
при реализации различных зависимостей а=/(1): 1 - а=свт1;
2 - ограничение пускового момента; 3 - токоограничение
Полученные результаты подтверждают широко известный факт, что реализация плавного пуска посредством ТПН приводит к увеличению потерь в двигателе по сравнению с потерями при прямом пуске.
Пуск при квазичастотном управлении
Исследования показывают, что технические возможности системы ТПН-АД можно существенно расширить за счет использования режима квазичастотного управления (КЧУ) [3].Заметный вклад в развитие КЧУ внесла кафедра АЭП МЭИ под руководством профессора Л.Б. Масандило-ва.
Квазичастотное управление имеет следующие достоинства: обеспечение стабильной пониженной скорости в разомкнутой системе регулирования и без тахогенератора; регулирование момента в широком диапазоне с плавным переходом из двигательного режима в тормозной. Однако КЧУ имеет также и недостатки, наиболее значимым из которых является трудность осуществления торможения вблизи синхронной скорости.
Как показали исследования [4], диапазон регулирования тормозных, и особенно, двигательных моментов при данном способе КЧУ ограничен. Напротив, способ КЧУ по принципу временных интервалов при соответст-
вующих пониженных частотах дает возможность получать повышенные двигательные моменты (в 1,5-2 раза и более) по сравнению с КЧУ по принципу модулирующих напряжений.
Особенности КЧУ для электропривода машины центробежного литья валков.В связи с тем, что предложенная трехпроводная схема питания обеспечивает независимое управление электрическим состоянием последовательно соединенных фазных обмоток двигателей, предлагается использовать в качестве параметров КЧУ т и п (т1, п1 и т2, п2) количество управляющих импульсов соответственно поступающих к тиристорам и блокируемых преобразователем, вместо временных интервалов. Т.е. т=2, п=5 означает, что два последовательно идущих импульса подаются на тиристоры, а следующие пять - нет.
Наибольшее значение амплитуды основной частоты возникает при параметрах т=3; п=4 для 1=7,1 Гц и т=3; п=5 для 1=12,5 Гц. Из вышеизложенного можно заключить, что и наибольший момент, развиваемый двигателем, будет при этих параметрах.
Данное утверждение было также проверено путем моделирования процесса пуска центробежной машины на квазичастоте 7,1 Гц с различными значениями чисел т и п. Величина тока статора во всех случаях поддерживалась на уровне 21н. Результаты моделирования представлены на рис. 5. Так как момент, развиваемый двигателем, при квазичастотном управлении имеет импульсный характер, для удобства анализа на рис. 5 он показан эквивалентным в долях от номинального значения.
Рис. 5. Пуск на квазичастоте 7,1 Гц, при различных значениях т и п
Для других значений квазичастоты с целью определения алгоритмов управления позволяющих получить наибольший двигательный момент
были произведены аналогичные исследования. При анализе результатов прослеживается закономерность повторения значений параметров т и п, а именно: через каждые шесть строк значение чисел т и п увеличивается на 3 каждое [5].
На рис. 6 представлены результаты моделирования ступенчатого квазичастотного пуска электропривода центробежной машины. Действующее значение тока статора на протяжении всего процесса не превышало величину 1,81н. Кроме того, представлена диаграмма процесса нагрева (превышения температуры) обмотки статора в ходе пуска.
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
/, сек
Рис. 6. Квазичастотный пуск электропривода центробежной машины
Амплитуда развиваемого двигателем электромагнитного момента значительно ниже предельно допустимого значения Мб, что исключает пробуксовки между приводными роликами и кокилем. Частота вращения кокиля возрастает плавно, практически по линейному закону, без резких всплесков и провалов. Длительность разгона при квазичастотном пуске составляет ~ 200...210 секунд, это несколько больше, чем на существующей машине, однако данный показатель не является критическим. Результаты, полученные на тепловой модели АД, свидетельствуют об отсутствии перегрева приводных двигателей. При этом наибольшее значение превышения
171
температуры обмотки статора составило 54°С. На основании вышеизложенного, можно сделать вывод, что квазичастотный пуск является приемлемым для электропривода машины центробежного литья валков.
Таблица 4
Энергетические параметры квазичастотного пуска
Параметр AW^s AWMr W
Величина, кВт-ч 1,2 0,76 5,95
Значительное снижение потерь в обмотках, по сравнению с ранее рассмотренными способами пуска, подтверждает энергетическую эффективность квазичастотного управления и меньший нагрев двигателей.
Список литературы
1.Гольдберг О. Д. Качество и надежность асинхронных двигателей. М.: Энергия, 1968. 176 с.
2.Борисенко А.И., Костиков О.Н., Яковлев А.И. Охлаждение промышленных электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1983. 296 с.
3. Опыт разработки и применения асинхронных электроприводов с тиристорными преобразователями напряжения / Л.Б. Масандилов [и др.] // Электротехника. 2000. № 2. С. 32-36.
4.Масандилов Л.Б., Гетман Ю.И., Мелихов В.Л. Особенности квазичастотного управления асинхронного двигателя // Электротехника. 1994. №5-6. С. 16-20.
5. Электропривод машины центробежного литья валков по системе ТПН-АД: монография / А.С. Сарваров [и др.]. Магнитогорск: МГТУ, 2010. 136 с.
А. Sarvarov, M. Petushkov, A. Strigov, I. Sarvarov, D. Anisimov
The comparative characteristic of ways of start-up of the car of centrifugal molding
rollers
The different ways of starting of machine of the spun casting of rollers, having a large moment of inertia are examined. Led comparison ofpower descriptions of starting, efficiency is grounded application of kvazichastotnogo management starting of machine.
Keywords: start-up of the car of centrifugal molding, power characteristics of startup, quasifrequency management of car start-up.
Получено 06.07.10
