CC BY
19
УДК 622.647.2
10.20998/2074-272Х.2017.4.06
В.Й. Лобов, К.В. Лобова
ВПЛИВ ТИРИСТОРНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА НА ПУЛЬСАЦП ЕЛЕКТРОМАГН1ТНОГО МОМЕНТУ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА ПРИ ПАРАМЕТРИЧНОМУ УПРАВЛ1НН1
Представлен розрахунки та ф1зичне моделювання коливальних складових електромагнiтного моменту при змШ па-раметрiв асинхронного електродвигуна, елемент1в силових схем перетворювачiв, побудованих на резисторно-тиристорних модулях. Установлено, що величина пульсацш електромагштного моменту у кваз^талих режимах залежить вид вибраноТ силовоТ схеми статорного i роторного комутаторiв перетворювача, складу елемент1в, що вхо-дять до них, i схеми ¡х з'еднання, змти величини кутв аидкриття вентилями, способи Тх управлння, частота обер-тання ротора, параметри механизму - моменти статичний та шерци. Запропоновано використовувати для досл-дженняузагальнену схему параметричногоуправлння асинхронного електродвигуна. Бiбл. 11, табл. 1, рис. 4. Ключовi слова: асинхронний електродвигун, узагальнена схема, тиристорний перетворювач, пульсащь
Представлены расчеты и физическое моделирование колебательных составляющих электромагнитного момента при изменении параметров асинхронного электродвигателя, элементов силовых схем преобразователей, построенных на резисторно-тиристорных модулях. Установлено, что величина пульсаций электромагнитного момента в квазипостоянных режимах зависит от выбранной силовой схемы статорной и роторной коммутаторов преобразователя, состава элементов, входящих в них, и схемы их соединения, изменения величины углов открытия вентилями, способы их управления, частота вращения ротора, параметры механизма - моменты статический и инерции. Предложено использовать для исследования обобщенную схему параметрического управления асинхронного электродвигателя.
Библ. 11, табл. 1, рис. 4.
Ключевые слова: асинхронный электродвигатель, обобщенная схема, тиристорный преобразователь, пульсации.
Постановка проблеми. Силовi схеми перетво-рювачiв для управлшня асинхронних електродвигу-шв (АД) будуються з використанням рiзних елемен-пв - резисторiв, шдуктивностей, дiодiв, тиристорiв, тощо. Перетворювача що використовують щ елеме-нти, включаються в статорш, роторш або одночасно в статорш та роторш кола АД i вщносять до пере-творювачiв iз параметричним управлшням [1, 2]. У залежносл ввд силово! схеми перетворювача змшю-ються вщповщно статичш та динамiчнi характеристики АД. Схеми перетворювачiв по рiзному визна-чають пусковi, гальмов^ реверсивнi, енергетичнi характеристики АД. При навантаженш АД, що управляеться такими перетворювачами, з'являються динамiчнi зусилля в елементах кшематичного лан-цюга, яю можуть виявлятися в перехвдних i сталих режимах роботи через коливання електромагштного моменту (ЕМ) АД.
Ввдомо, що ЕМ мiстить середню i коливальну складовi, але як остання змiнюеться, з якою частотою, чи залежить ввд вибрано! силово! схеми перетворювача та мюця включения його елемеипв у схемi, не до-слвджено. Пульсаци ЕМ, викликаш впливом вищих гармонiк напруги на АД, призводять до погiршення вiбрацiйних i акустичних характеристик АД i мехаш-зму, тобто збiльшуеться шум i вiбрацiя. Це явище су-проводжуеться резонансними явищами i попршенням мiцностi механiчного обладнання електроприводу i механiзму. При збiльшеннi моменту шерци, шльшсть пульсацiй ЕМ зростае. Особливо великих значень ма-ксимальнi кидки моментiв досягають при реверсi АД. Проте, до тепершнього часу для деяких тишв пере-творювачiв ввдсутш дослiджения i не визначено, як величина коливань ЕМ залежить ввд параметрiв АД i електроприводу, вибраних схем перетворювачiв, величини купв ввдкриття тиристорiв, способу управлiння
вентилями, частоти обертання ротора, тощо. Тому щ явища потребують досконального дослщження.
Для комплексного шдходу i систематизованого аиалiзу, знаходження або отримання рацюнальних варiантiв силових схем перетворювачiв iз параметричним управлiниям АД найбшьш зручно скористува-тися узагальненою (спшьною) силовою схемою та Г! математичним описом, який дозволяе створити зага-льний алгоритм управлшня та ефективно використовувати при проведенш дослвджень ЕОМ (рис.1 ,а).
Послвдовне включення силового тиристора з ак-тивним резистором, паралельно яким пвдключено другий додатковий резистор, утворюе модуль, який е не тiльки окремим функцюнальним модулем, а й мо-же бути конструктивно виготовленим блоком, названий як: резисторно-тиристорним модулем (РТМ). Як видно з рис.1,а, узагальнена силова схема перетворювача управлшня АД складаеться з статорного (СК) i роторного (РК) комутаторiв.
Розглянемо можливосп запропоновано! узагаль-нено! схеми перетворювача iз РТМ у колах статора, позначених у РТМ1 - РТМ6, як: Я^ i г^ та в колах ротора РТМ7 - РТМ12, як: Я„i г„, за умови, що: я . = я • я . = я • г . = г ■ г . = г
де г = 1, 2, ... для граничних (0, да) i пром1жних значень величин Ял г, Яг i гг i трьох пристро!в 20, 2, 2„ модуля зв'язку виду 2.
У вщповщносп з прийнятими обмеженнями у таблицях (рис. 1,б,в) наведенi можливi варiанти силових схем вщповвдно для СК i РК, яш позначенi через: та 2кц. 1ндекси у вказують у таблицях порядковий номер вщповщного рядка та стовпця, а iндекс к приймае значення 0, г, тобто позначае вид модуля зв'язку 2 i утворюе ланку постшного струму. У мо-дулi 2 окремо використовуються три рiзнi пристро!: 20, 2В, 2, що утворюють ввдповвдш групи РК.
© В.Й. Лобов, К.В. Лобова
У першу групу 20 входять пристро!, якi контур по- iмпульсне регулювання цих параметрiв. Проте
стiйного струму закорочують, у другу групу в модулi зв'язку виду 2 змшюеться за певним
2ц - дозволяють дискретно змiнювати величину па- законом величина опору активного резистору,
раметрiв елеменпв 2 i третю групу 2{ - здiйснюють включеного мiж точками Р i N.
ФАЗА А
ФАЗА В
ФАЗА С
а
rsi Rsi
0 const да
0 S11 S12 S13
const S21 S22 S23
да S31 S32 S33
б
Zk Rri
0 const да
const Z0R11 Z0R12 Z0R13
Zo да Z0R21 Z0R22 Z0R23
0 Z0R31 Z0R32 Z0R33
const Zfiu ZR12 ZsR13
Zs да ZsP-21 ZSR22 ZsR23
0 ZR31 Zfi32 ZSR33
const ZiR11 ZiR12 ZiR13
Zi да ZiR21 ZiR22 ZiR23
0 ZiR31 ZiR32 ZiR33
в
Рис. 1. Узагальнена силова схема параметричного управлiння АД i3 СК i РК у складi перетворювача (а),
та варiанти силових схем: СК (б) i РК (в)
Незважаючи на введения обмежень, варiант за-пропоновано! узагальнено! схеми перетворювача охо-плюе багато ввдомих схем параметричного управлiння АД, про що !люструють наступнi приклади. Схема роздiльного параметричного управлiння за допомо-гою тиристорiв у статорi типу Б13, ввдома як неревер-сивний тиристорний регулятор напруги (ТРН). У схе-мi Б13 прийнято i гг=0, тобто у кожну фазу ста-
тора АД включеш два тиристори, якi з'еднаш мiж собою за зустрiчно-паралельною схемою. Якщо в СК прийняти Л.„-=сош1 i гг=0, то в кожнш фазi АД зали-шиться тшьки резистор Я^. 1нша схема типу Б12 нада-на для випадку коли Я.„=соп81 i гц1=0. Статорш обмотки АД у схемi типу Б12 пiдключенi до живильно! ме-реж1 через РТМ. У схемi типу 812 РТМ мютить один резистор Яи, паралельно якому подключений тиристор УТ. Причому, в кожну фазу статора АД включено по два РТМ, сполучених мiж собою зуст^чно-паралельно.
Звертаемо увагу на те, що перетворювач^ як! мають у своему склащ вентильнi елементи !з непов-ною керовашстю (тиристори або симистори), що
включаються в кола змiнного струму, працюють у режимi природно! комутацп. Цей тип перетворювачiв реалiзуe фазне управлшня у статорних або роторних колах АД.
На рис. 1,в представлен двадцять сiм варiантiв рiзних силових схем управлiння колами ротора АД. Варiанти силових схем управлшня колами ротора АД
Z0R1b Z0R2b Z0R3h ZR1h ZsR2b ZR3h ZR1b ZiR2h ZiR31
при Rri = 0 забезпечують лише замикання обмоток ротора у загальну точку з'еднання, перетворюючи таким чином звичайний ротор у короткозамкнений. Зпдно iз узагальненою схемою параметричного управлiння АД при Rri = const i rri = const у кожнiй фазi ротора АД паралельно опору Rri включаеться коло iз послвдовно з'еднаних мiж собою резисторiв опору rri i тиристорiв VT, а при Rri = да i rri = const -залишаеться лише послвдовно поеднане коло iз цих елемеипв. Усе це призводить до рiзноманiтних силових схем. Так, при Rri = const утворюються рiзновиди схем типiв: ZkRn, ZR22 i ZR32, а при Rrt = ZR13, ZR23, ZkR33, а також ряд iнших схем, наведених на рис. 1,в. Схема типу ZkR13 при rri = 0 вщома шд назвою мосто-
во! схеми Ларюнова, у колi постшного струму яко! включений модуль зв'язку виду Zk. Двi iншi схеми типу ZkR22 (при Rri = const i rri = const i Zk = да) та ZkR23 (при Rri = да i rri = const i Zk = да) не мають розiмкнуто-го ланцюга постiйного струму, i тому можуть бути використаш самостiйно.
Застосовуючи модуль зв'язку виду Z, вщповвд-ний Z0 схема типу ZkR22 перетвориться в схему типу ZR32, а схема типу ZkR23 ввдповщно у схему типу Z0R33. Крiм того, зi схеми типу Z0R32 при Rri = да i rri = const з'являеться вже нова схема типу Z0r13, а при Rri=const i rri=œ досить широко застосовуеться у про-мислових умовах схема типу Z0r22, що мiстить у лан-цюзi ротора тiлькж додатковi резистори. При Rri=const i rri=0 виходить схема типу Z0R32 i при Rri=const, rri=0 - типу Z0r33 . Аналогiчним чином iз схеми типу Z0R33 при rri=0 утворюеться шша схема - типу Z0r33, в якiй обмотки ротора з'еднаш у схему <^рки» i послщовно пiдключенi до тиристорiв та резисторiв, що замкнутi м1ж собою у нульову точку. Силова структура РК значно змшиться для схеми типу Z0R32, якщо в ланцю-зi постiйного струму будуть присутнi пристроï типу Zs або Z.
1з схеми типу Zs(i)R32 отримуеться роторний ко-мутатор, у якому тиристори з'еднанi у схему трикут-ника. У цьому разi влаштування Zs або Zi, е тiльки один тиристор, включений у ланцюг постшного струму. Якщо прийняти, що в узагальненш схемi типу Zs(i)R32 резистори: Rr1 = Rr2 = Rr3 = Rr4 = Rr5 = Rr6 = да, rr2 = rr3 = rr5 = rr6 = да =const, rr1 = rr4 =0, то виявиться, що трикутний комутатор включений у нульову точку з' еднання ротора АД, i виходить силова схема типу ZR32, у ланцюзi ротора ввдсутш резистори опору. Якщо прийняти у схемi типу Zs(i)R32, що Rr1= Rr4 = Rr5 = Rr6 = да = const, а rrI=rr4=0, rr2 = rr3 = rr5 = rr6 = да = const, то комутатор буде включений за схемою Z2R32.
Таким чином, використання узагальнено! схеми перетворювача для параметричного управлiння АД дозволить використати для дослвдження рiзних силових схем перетворювач1в, як1 отримуються ввд узагальнено! i виршити актуальну проблему визначення величини пульсацiй, перенапружень, амплiтуд i частот коливаль-них складових ЕМ простими шженерними методами.
Аналiз попереднiх досл1джень i публжацш. Досл1дженню управлiння АД у рiзних режимах робо-ти присвячена велика кшьшсть публiкацiй. Цi питания е одними з основних, що сьогодення обговорюються фахiвцями. Автори не надають достатньо! шформацп для побудови автоматизованих систем параметрично-го управлiння АД з урахуванням змiни електромагнi-тних моментiв, яш суттево змiнюються на перехiднi процеси при пусках, гальмуваинi, реверсу та робота Основною проблемою АД, яку виршують дослiдни-ки, це узгодження крутного моменту з моментом на-ваитажения, так як п1д час пуску, наприклад, крутний момент за частки секунди часто досягае 150-200 %, що може привести до виходу з ладу кшематичного ланцюга приводу [3]. У той же самий час високий пусковий струм при старп може бути в 6-8 разiв бь льше номшального, породжуючи проблеми зi стабi-льшстю живлення та коливаннями ЕМ, величини яких
у представленiй iнформацií не визначеш та й не представлена Для усунення деяких цих недолЫв промис-ловiстю випускаються контролери ЕнерджЮейвер (пристро! плавного пуску з функшею енергозбере-ження i корекцп коефiцiента потужиостi) займають промiжие положення мiж пристроями плавного пуску i перетворювачами частоти. Енердж1Сейвер викорис-товуе традицшну для пристро!в плавного пуску схему зустрiчно-паралельно включених тиристорiв [4], тобто ТРН, як1 по заюнченню процесу пуску замикають-ся контакторами. Момент, створюваний АД, залежить вщ величин прикладено! напруги i ковзання. Чим менший момент навантаження прикладений до ротора, тим бiльше ротор «доганяе» поле статора (ковзання зменшуеться), тим далi АД переходить у менш економiчний режим. Якщо вщповщним чином знизи-ти напругу живлення на обмотках статора АД, ковзання повернеться до номшального значення. Мехаш-чш характеристики АД при знижеш напруги на обмотках статора мають ввдповвдш знижеш ЕМ. При цьому знизиться струм, що протшае через обмотки АД, i споживана потужиiсть, пропорцшна добутку напруги i струму, втрати зменшуеться, ККД електродвигуна зросте [5]. Проте, яшсний та к1льк1сний аиалiз змiни амплiтуд i частоти коливальних складових ЕМ у цiй робоп вiдсутнiй.
Аналiз динамiчних процесiв перетворення енер-гi! в АД являе собою складну задачу в зв'язку з ютот-ною нелiнiйнiстю рiвнянь, що описують АД, обумов-лено! добутком змiнних. Тому досл1дження динамiч-них характеристик АД доцiльно вести з застосуван-ням засобiв обчислювально! технiки [6]. Спiльне рi-шення системи диференцiальних рiвиянь у програм-ному середовищi Ма1ЬСЛБ дозволяе розрахувати графiки перехiдних процесiв швидкостi а> i ЕМ М при чисельних значениях параметрiв схеми замiщення АД. Як показав аналiз динамiчноí мехашчно! характеристики АД в [6], максимальш ударнi моменти при прямому пуску перевищують номiнальний момент Мп статично! мехашчно! характеристики бшьш шж в 4.5 рази i можуть досягти неприпустимо великих по мехашчно! мiцностi значень. Ударнi моменти при пуску, i особливо при ревера АД, призводять до виходу з ладу кшематики виробничих мехаиiзмiв i самого АД. У той же час, коливання моменпв АД при управлiннi вiд перетворювачiв не визначено.
До числа актуальних завдань в областi управлiн-ня АД вiдноситься розробка досить простих i ефекти-вних перетворювачiв для розширення дiапазону регу-лювання швидкосп обертання АД вниз вiд номшального значення. Можливють переведення електроприводу на знижеш частоти обертання дозволяе реалiзу-вати економiчнi режими експлуатацi! при зниженнi технологiчних навантажень i розширюе його регулю-вальш властивостi. Потреба в такому регулюванш неминуче з'являються в умовах дшчого виробництва. Традицiйнi системи регульованого АД з короткозамк-неним двигуном «тиристорний перетворювач напруги - асинхронний двигун» (ТПН-АД) орiентоваиi для плавного пуску i для створення гальмiвних режимiв [7]. Схема передбачае регулювання напруги за рахунок формування заданих купв управлiння тиристорами.
Основою такого перетворювача е фазове або !мпульс-не управлшня. Це дозволяе використовувати ввдносно недороп однооперацiйнi тиристори, як! мають досить висок1 енергетичш показники [8]. При управлшш такими перетворювачами виникае необхвдшсть тдви-щення р!вном!рносп обертання ротора за рахунок зменшення амплпуди 1/або управлшня частотою пульсацш ЕМ, спотворених роботою силових елемен-пв перетворювача [9].
Дослвдження пульсацш ЕМ у перетворювачах частоти з Ш1М швертора при постшнш ! змшнш частот! розглядаеться в робот! [10]. Результати досль джень в цш робот! вказують на юнування ще! про-блеми при управлшш АД, але методика розрахунку не може бути перенесена на розрахунок коливань моменту для перетворювач!в !з параметричним управлш-ням. Основою перетворювач!в !з фазовим або !мпуль-сним управлшням е шша силова схема, що складаеть-ся з РТМ [11]. Разом з очевидними перевагами вико-ристання простих перетворювач!в побудованих на основ! РТМ, як показуе анал!з науково-техшчно! лгге-ратури, питання визначення р!вшв пульсацш ЕМ АД фах!вцями досконально не розглядалось.
Методи анал1тичних розрахунк1в здшснеш для перетворювач!в частот!, асинхронно-вентильних кас-кад!в або вентильних двигушв можуть бути частково використаш для розрахунку пульсацш ЕМ при управлшш такими типами перетворювач!в. Основш ввдмш-носп тут викликаш, як особливютю регулювання ве-личини струму через кероваш вентил!, так ! можли-вими схемами з'еднання резистор!в, тиристор!в, ста-торних ! роторних обмоток АД. Окр!м цього ввдомо, що у АД зм!нюються в процес регулювання величи-ни, так1 як кут ввдкривання тиристор!в, напруга статора, ЕРС ротора, струми статора та ротора, ЕМ, його ковзання й шш1 та вони пов'язаш м!ж собою ввдповь дними функцюнальними залежностями [10]. Змша коливань ЕМ ЛМ залежить ввд вибраних силових схем, що включен! в статор ! ротор, величини купв ввдкриття тиристор!в, способу управлшня вентилями, частоти обертання ротора, параметр!в електродвигуна ! електроприводу [5, 6, 9].
При проектуванш сучасних електроприводав часто виникае необхвдшсть визначення динамчних зусиль в елементах к1нематичного ланцюга, яю можуть виявля-тися в перехвдних ! сталих режимах роботи через коли-вання ЕМ. У перехвдних режимах роботи електроприводу ввдхилення форми криво! напруги на затисках АД ввд синусовдально! викликае високочастотш коливання ЕМ ! нер1вномршсть частоти обертання ротора.
Визначення коливальних складових ЕМ мае ве-лике практичне значення, оск1льки вони ютотно впли-вають не тшьки на мехашчну мщшсть вузл!в електроприводу ! стан технолопчного мехашзму. Якщо частоти власних коливань мехашчно! частини електро-приводу виявляться близькими до частот коливальних складових ЕМ, то може виникнути небезпека появи значних перенапружень в елементах електроприводу.
Метою роботи е виявлення впливу параметр!в електродвигуна, елеменпв силових схем перетворюва-ч!в, побудованих на РТМ, статичного моменту ! моменту шерци мехашзму на коливальш складов! ЕМ АД.
Методи дослщження. Всебiчний аналiз pi3HOMa-нггносп силових схем перетворювачiв i дослщження основних режимiв АД пов'язаний з великим обсягом аналiтичних обчислень i необхвдшстю проведення експериментальних дослвджень. Тому методолопч-ною основою виршення поставлених завдань е ком-плексний пвдхвд, що дозволяе найбiльш зручно корис-туватися узагальненою схемою управлшня АД [11], ïï математичним описом, загальним алгоритмом управлшня i провести дослвдження коливальних складових ЕМ шляхом математичного моделювання.
Викладення матер1алу та результати. Для ощ-нки значень коливань ЕМ використовуеться узагаль-нена схема управлiння АД. Схема мае перетворювач, що складаеться з статорного i роторного комутаторiв. Кожний комутатор реалiзуеться з РТМ (рис. 1,а). Ви-користовуючи ЕОМ виконанi розрахунки рiзних ре-жимiв роботи АД. Встановлено, що пульсацп в деяких випадках досягають значних величин, виконаних. Так, для АД типу MTF 411-8, керованого за допомо-гою силових типiв Sl3Z0rll, Sl3Z0r22, Sl3Z0r32, Sl3Z2R32, S22ZkR32, SllZLR33 обчислеш максимальш Mmax, мшма-льнi Mmm i середнi Mm значення ЕМ. Використовуючи обчислеш значення ЕМ, визначеш коливання ЛМ при рiзних кутах вiдкриття as, ar тиристорiв статора i роторного комутаторiв i швидкостях обертання ротора mr, ввдповвдно рiвних: мiнус 600, 400, 200, плюс 200, 400 i 600 об/хв. Результати розрахуншв зведеш графь ками, що представленi на рис. 2.
Величини опорiв резисторiв РТМ, що входять у дослiджуванi силовi схеми, прийнятi вiдповiдно до табл. 1.
У схемах включення РТМ послiдовно з обмотками АД викликае появу додаткових коливань складових ЕМ, частота i амплпуда яких визначаються спе-цифжою роботи тиристорiв у перетворювача При комутацiï вентилями резисторiв у колах АД виникае квазюталий режим, що е послiдовнiстю перехвдних процесiв. У такому режимi змiнюеться структура силових к1л АД. 1нтервали юнування структур для ста-торних i роторних к1л визначаються моментами пода-чi управляючих iмпульсiв i умовами природноï кому-тацш вентилiв.
У результатi змiни структури силових к1л змшю-еться i екивалентна величина опорiв резисторiв РТМ, змша яких приводять до коливань струмiв статора i ротора АД. Останш у свою чергу змшюють магнiтний потiк i ЕМ електродвигуна. Як показують розрахунки (рис. 2), найменшi коливання ЕМ АД забезпечують силовi схеми з роздiльним управлшням у колi ротора (типу SllZLR33) i сумюним управлiнням у колах статора i ротора (типу S22ZkR32). Перша схема практично повшстю усувае коливання ЕМ. У цш схемi пвдвищу-еться Мт i пвдтримуеться приблизно на рiвнi номша-льного у всьому дiапазонi вимiрювання частоти обертання АД. Зменшення пульсацп ЕМ тут досягаеться унаслвдок пвдвищення коефiцiента загасання струму роторного кола. Вш збiльшуеться за рахунок пвдвищення екивалентного опору резисторiв РТМ. Друга схема поступаеться першш по амплiтудi пульсацiй ЛМ електродвигуна.
Рис. 2. Коливання електромагштного моменту АД при швидкостях обертання ротора, кутах вщкриття а, ar
тиристорш СК i РК для рiзних силових схем
Таблиця 1
Величини опорш резисторiв РТМ для схем
Тип силово! схеми Величина опорш резисл^в, Ом
Rsi Rri rSi rri
S13Z0r22 - 1.95 - -
S13Z0r32 - 2.8 - -
S13Z2R32 - 2.8 - -
S22ZKR32 0.32 4.4 0.1 0.48
S11ZLR33 - 4.4 - 0.9
Збшьшення кута вiдкриття ar для першо! схеми приводить до пiдвищения максимального моменту в зош низьких швидкостей i зменшення його при висо-ких швидкостях АД. Це пояснюеться тим, що змiню-еться гармоншний склад напруг АД. Включення РТМ тшьки в двi фази ротора (схема типу S13Z2R32) приводить до значних коливань ЕМ АД. Велике значення ЛМ викликае вiбрацiю, сильний шум i удари, тому !х величина повинна бути зменшена до мшмуму. Величина цих коливань вище в порiвняннi з шшими сило-вими схемами. Так, наприклад, для ше! схеми при швидкостi nr = 600 об/хв i кутах as = 75° i ar = 30° ЛМ досягае значення, рiвного 377 Нм, що в 1.5 рази вище за номшальний момент АД. При частот обертання ротора АД, рiвнiй 400 об/хв i кутах as = 115° i ar = 95° ЛМ досягае величини, рiвноï його номiнальному моменту. При цьому коливання моменту ЛМ можуть досягати потршно! величини критичного моменту АД. При несиметричному включенш елементiв перетворювача у колi ротора АД ЕМ так само, як i при
однофазному включенш, мютить середню i коливаль-ну складовi.
Амплiтуда коливально! складово! ЕМ залежить вiд ступеня несиметрп у колi ротора, а ïï частота зав-жди рiвна подвоенш частотi ковзання. Що ж до сере-днiх моментiв АД, то вони при фазовому управлшш вентилями у колi статора (схема типу S13Z0r32) зб№-шуються з шдвищенням частоти обертання ротора i, навпаки, зменшуються за наявностi у колi ротора до-даткових резисторiв (схема типу S13Z0r22) або РТМ (схеми титв S^ZoT32, SiZ2r32, S^ZKr32, S13ZLr32). Серед-нш момент АД змшюеться в незначних межах при регулюванш частоти обертання ротора в схемi з роз-дiльним управлiниям у колi ротора (S11ZLr33) i в схемi зi сумiсним управлiнням у колах статора i ротора (S22Zgr32). Для першо! згадано! схеми величина серед-нього моменту найбiльша у всьому дiапазонi змiни швидкостi АД.
Отже, вживання РТМ у колi АД дозволяе помiт-но знизити величину пульсацш ЕМ, пiдвищити значення максимального i середнього моменпв i обме-жити його величини ударних i знакозмшних моментiв як при пуску, так i, як показали дослвдження, при пе-реходi з однiеï швидкостi на шшу. Збiльшення еквiва-лентно! величини опорiв резисторiв РТМ у колi статора дещо покращуе коефiцiент потужносл кола, за-вдяки цьому ударш знакозмiннi моменти виявляються зменшеними не тшьки через зниження напруги на статор^ але i через зменшення !х значення i збiльшен-ня загасання аперiодичних струмiв.
б
а
в
г
Момент шерци електроприводу робить iстотний вплив на триватсть i характер протшання перехвдних процесiв. На рис. 3 приведет одержат на ЕОМ i екс-периментальнiй установцi осцилограми пуску електроприводу за наявносп на валу АД рiзних по величиш додаткових махових мас. Аналiзуючи щ графiки, мо-жна прийти до висновку, що iз збiльшенням моменту
шерци електроприводу кшьшсть значних по величиш кидшв переходного ЕМ спочатку процесу пуску збь льшуеться, а коливання частоти обертання ротора i ЕМ у районi синхронно! швидкосп зменшуеться. Це викликано тим, що деяш коефiцiенти загасання вшь-них складових ЕМ при малiй швидкосп вельми малi.
М (úr
и. ЯТ?
4
'0,2 v 0,3
а
Jv!J„=l
А А ... ------------------—
/- V V
0 OIOS од 0, 15 0,2 0,25
t,c О
1
0,5 0
t, С
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
м
ж: оз „ л
1
0,5
J¿Jal=10
ш t, с
' 0,1 0,2 0,3 0 4 0,5 0 6 0 7 0,8
ооо (Експеримент) -(Розрахунок) М1Мп----тг 1т„
Рис. 3. Осцилограми пуску електроприводу з рiзними значениями махових мас
Якщо збшьшити момент шерцп електроприводу, то АД довше працюватиме на знижених швидкостях, де малi коефiцiенти загасання статорного i роторного к1л, що i визначае бiльш повiльне загасання ЕМ iз збь льшенням сумарного моменту шерцп ^ електроприводу та мехашзму. При збiльшеннi ^ шдвищуеться частота i збiльшуеться амплiтуда пшв перехiдного ЕМ. Спочатку процесу iз зменшенням ^ кiлькiсть цих пшв знижуеться. Проте, при цьому збшьшуються коливання швидкостi i ЕМ у зош низьких ковзань АД.
Зютавлення великого числа розрахункових i екс-периментальних осцилограм для АД рОзно! потужнос-тi з нормальним i пвдвищеним ковзанням указуе на те, що отримаш результати при змш сумарного моменту шерцп адекватнi. Вплив сумарного моменту шерцп на перехщний процес для шших силових схем управлш-ня АД майже такий же, як о для схеми типу 8132ог32.
Збшьшення статичного моменту на валу АД приводить також до бшьш тривалого пропкання за часом процесу розгону (рис. 4).
г/Д/- X л
В № C.1L Í..16 (Ц1! 0.ÍJ Щ35 ülM 0,5
б
М С0Р Ж.
4 И
2 1
0,5
0 0 •' i
0,03 0,06 0,09 0,13 0,16 С1.19 0.Z3 О 2С 0,3 о 0,0В 0,16 <?í 0,3Z О А 0,4Ё 0,56 0,65
в г
ооо (Експеримент) -(Розрахунок) MMn----тг/ тп
Рис. 4. P03paxyHK0BÍ та експериментальнi осцилограми пуску АД при 3míhí статичного моменту для схеми S13Z0r11: а - Ms = 0, б - Ms = Мп; та для схеми S13Z(f32'- в - Ms = 0, г - Ms = Мп
б
в
г
а
Частота пульсацш ЕМ спочатку процесу розгону подвищуеться. 1з збiльшениям швидкостi ротора АД частота пульсацш значно знижуеться, i в райош синхронно! швидкосл коливання моменту зовсiм пропа-дають. Картина переходного процесу при змш статичного моменту нагадуе картину переходного процесу при змш моменту iнерцiï. Осцилограми пуску АД при змш статичного моменту на валу ротора, наведе-нi на рис. 4 для двох силових титв S13Z0r11 i S13Z0r32 наочно подтверджують вищесказане. Для першо! схеми кут вiдкриття aS тиристорiв прийнятий рiвним 90°, а для друго! схеми кути aS i ar вiдповiдно складали 30° i 60°.Результата моделювання на ЕОМ показують, що картина переходного процесу для шших силових схем при змш навантаження на валу АД аналопчна переходному процесу, створюваному схемами тишв S13Z0r11 i S13Z0r32. Вщмшшсть !х виявляеться тшьки в рОзних коливаннях ЕМ.
Висновки та перспективи подальших дослЬ джень. Таким чином, проведет дослщження дозволили виявити особливосп впливу параметров елемен-пв рОзних тишв силових схем перетворювачОв, побу-дованих на РТМ, на амплпуду i частоту коливальних складових ЕМ АД.
Виконане математичне та фОзичне моделювання дозволило встановити умови виникнення електромаг-штних пульсацш, визначити шляхи усунення та подтвердило ефектившсть вибраного методу досль дження. При цьому установлено, що величина пульсацш електромагштного моменту АД у квазюталих режимах залежить вш вибрано! силово! схеми перетворювача, статорного i роторного комутаторОв, складу елемеипв, що входять до них, i схеми !х з'еднання в модулях.
ЗОставлення розрахункових i експериментальних осцилограм пуску АД рОзно! потужносп з нормальним i подвищеним ковзанням указуе на те, що вплив на пульсацп ЕМ надають величини купв вадкриття вентилями, способи 1'х управлшня, частоти обертання ротора, параметри електродвигуна i мехашзму - моменти статичний та шерци.
Одночасно виявлено, що вживання РТМ у складО силових схем статорного i роторного комутаторОв перетворювача знижують величину пульсацп ЕМ у АД та шдвищують значення його максимального i серед-нього моменпв i обмежують величину ударного i зна-козмшних мометтв, як при його пуску, так i переходО з одше! швидкосп на шшу.
У подальших дослщженнях плануеться зосере-дитись на перевОрш розроблено! методики в промис-лових умовах.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Маренич К.Н., Бурлака А.Н. Обоснование принципа параметрического управления асинхронным двигателем нагрузочного стенда в генераторном режиме // НауковО правд Донецького национального техшчного ушверситету. Се-рш: ГОрничо-електромеханОчна. - 2001. - №27. - C. 278-282.
2. Однолько Д.С. Математическое имитационное моделирование системы бездатчикового векторного управления
асинхронным двигателем в условиях параметрических возмущений // Системный анализ и прикладная информатика. -2015. - №2. - С. 31-35.
3. Принцип действия устройств плавного пуска: оборудование для управления электроприводом. - Режим доступа: https://www.softstarter.ru/plavnij-pusk/upp/princip_dejstviya.
4. Контроллеры-оптимизаторы ЭнерджиСейвер: оборудование для управления электроприводом. - Режим доступа: https://www. softstarter. ru/catalog/plavnij-pusk/energy saver.
5. Макаров А.М., Сергеев А.С., Крылов Е.Г., Сердобинцев Ю.П. Системы управления автоматизированным электроприводом переменного тока: учеб. пособие. Волгоград: ВолгГТУ, 2016. - 192 с.
6. Дементьев Ю.Н., Чернышев А.Ю., Чернышев И.А. Электрический привод: учеб. пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2010. - 232 с.
7. Анисимов В.А., Горнов А.О., Москаленко В.В. Тири-сторные пусковые устройства в электроприводах переменного тока // Привод и управление. - 2002. - №1. - С. 32-34.
8. Черепанов В.П., Хрулев А.К. Тиристоры и их зарубежные аналоги: справочник. - М: ИП РадиоСофт, 2002. - 512 с.
9. Красовский А.Б. Основы электропривода: учеб. пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. - 405 с..
10. Чернышев А.Ю., Дементьев Ю.Н., Чернышев И.А. Электропривод переменного тока: учеб. пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. -213 с.
11. Lobov V.Y. Method for research of parametric control schemes by asynchronous motor // Metallurgical and Mining Industry. - 2015. - no.6. - pp. 102-108.
REFERENCES
1. Marenich K.N., Burlaka A.N. Substantiation of the principle of parametric control of an asynchronous motor of a load stand in the generator mode. Scientific papers of Donetsk National Technical University. Series: Mining and electromechanical, 2001, no.27, pp. 278-282. (Rus).
2. Odnolko D.S. Mathematical simulation of sensorless vector control induction motor under parametric perturbations. System analysis and applied information science, 2015, no.2, pp. 31-35. (Rus).
3. Principle of operation of soft starters: equipment for electric drive control. Available at: https://www.softstarter.ru/plavnii-pusk/upp/princip dejstviya/ (accessed 15 October 2015).
4. Controllers-optimizers Energy Saver: equipment for electric drive control. - Available at: https://www. softstarter. ru/catalog/plavnij-pusk/energy saver/. (accessed 22 May 2016).
5. Makarov A.M., Sergeyev A.S., Krylov Ye.G., Serdobintsev Yu.P. Sistemy upravleniia avtomatizirovannym elektroprivodom peremennogo toka: ucheb. posobie [Control systems automated AC drive. Tutorial]. Volgograd, VolgGTU Publ., 2016. 192 p. (Rus).
6. Dementyev Yu.N., Chernyshev A.Yu., Chernyshev I.A. Elektricheskii privod: ucheb. posobie [Electric drive. Tutorial]. Tomsk, TPU Publ., 2010. 232 p. (Rus).
7. Anisimov V.A., Gornov A.O., Moskalenko V.V. Thyristor starting devices in AC drives. Drive and control, 2002, no.1, pp. 32-34. (Rus).
8. Cherepanov V.P., Khrulev A.K. Tiristory i ikh zarubezhnye analogi: spravochnik [Thyristors and their foreign counterparts. Directory]. Мoscow, IP RadioSoft Publ., 2002. 512 p. (Rus).
9. Krasovskiy A.B. Osnovy elektroprivoda: ucheb. posobie [Bases of the electric drive. Tutorial]. Мoscow, Publishing House MSTU N.E. Bauman, 2015. 405 p. (Rus).
10. Chernyshev A.Yu., Dementyev Yu.N., Chernyshev I.A. Elektroprivod peremennogo toka: ucheb. posobie [AC electric drive. Tutorial]. Tomsk, Publishing house of Tomsk Polytechnic University, 2011. 213 p. (Rus).
11. Lobov V.Y. Method for research of parametric control schemes by asynchronous motor. Metallurgical and Mining Industry, 2015, no.6, pp. 102-108.
Надшшла (received) 10.02.2017
Лобов Вячеслав Йосипович1, к.т.н., доц., Лобова Карина Вталнвна1, 1 Криворiзький нацюнальний ушверситет, 50027, Кривий Pir, вул. Вггалш Матусевича, 11, тел/phone +38 0564 4090635, e-mail: [email protected]
V.I. Lobov1, K.V. Lobova1
1 Kryvyi Rih National University,
11, V. Matusevycha Str., Kryvyi Rih, 50027, Ukraine.
The thyristor converter influence on the pulsations
of the electromagnetic torque of the induction motor
at parametrical control.
Purpose. The purpose of the work is to identify the parameters influence of the electric motor, the power circuits elements of the converters, built on resistor-thyristor modules, the static torque and the moment of inertia of the mechanism on the vibra-tional components of the induction motor's electromagnetic moment. Methodology. The methodological basis for the solution of the task is an integrated approach. The application of the generalized control circuit for an induction electric motor and its mathematical description made it possible to analyze various power circuits of parametric control of an induction electric motor. To create a common control algorithm, effectively use the computer for calculations. To perform qualitative and quantitative analysis of the amplitudes and frequencies of the vibra-tional components of the electromagnetic torque of the electric motor. Results. The conducted researches allowed to reveal the
peculiarities of the effect of the parameters of the elements of various types of power circuits of the parametric control converters on the vibrational components of the electromagnetic torque of an induction electric motor. Calculations and physical modeling have been performed, it has been possible to establish the conditions for the occurrence of electromagnetic pulsations and to determine the ways of their elimination. It was found that the magnitude ofpulsations of the electromagnetic moment of an induction electric motor in quasi-permanent modes depends on the selected power circuit of the converter's stator and rotor commutators, the composition of the elements included in them, and the connection circuits. Comparison of calculated and experimental waveform when starting induction electric motors indicates that the pulsation of the electromagnetic torque is affected by: the size of the opening angle of the valves, their control methods, the rotor speed, the parameters of the electric motor and the mechanism are static and inertial moments. At the same time, it was revealed that the use of resistor-thyristor modules in the power circuits of the stator and rotary commutators reduces the magnitude of the pulsation of the electromagnetic torque of the induction electric motor. Increase the value of its maximum and average torques. Limit the magnitude of the shock and alternating torques when it starts and the transition from one speed to another. Scientific novelty. It is proposed to use a generalized circuit of parametric control of an induction electric motor for studying the change in the electromagnetic torque. The circuit consists of resistor - thyristor modules in stator and rotary commutators. The presented technique allowed simultaneously to investigate transients during the control of an induction electric motor by various power circuits of converters. The results of calculations allow choosing the necessary power circuit, taking into account the vibrational components of the electromagnetic torque of the induction motor. References 11, tables 1, figures 4.
Key words: induction electric motor, generalized circuit, thyristor converter, pulsations.
