Міністерство освіти і науки України

Національна гірнича академія України

Колб Андрій Антонович

УДК 62-83:621.313.2.004.6

ПІСЛЯРЕМОНТНІ ВИПРОБУВАННЯ ПЕРЕВАНТАЖУВАЛЬНОЇ ЗДАТНОСТІ МЕТОДОМ ДИНАМІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ ТА ПІДВИЩЕННЯ ШВИДКОДІЇ ЕЛЕКТРОПРИВОДА

ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

05.09.03 – Електротехнічні комплекси і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України на кафедрі електричних машин.

Науковий керівник: | Кандидат технічних наук, професор ІВАНОВ Олексій Борисович, Національна гірнича академія України Міністерства освіти і науки України (м.Дніпропетровськ), професор кафедри електричних машин

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Родькін Дмитро Йосипович, Кременчуцький державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри систем автоматичного керування та електропривода.

Кандидат технічних наук, доцент Казачковський Микола Миколайович, Національна гірнича академія України Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри електропривода.

Провідна установа:

Донецький державний технічний університет Міністерства освіти та науки України, кафедра електропривода та автоматизації промислових установок.

Захист відбудеться 27 червня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 у Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027 м.Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19, корпус 1, ауд. 92.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (49027 м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий 25 травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В. Т. Заїка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значний термін експлуатації, важкі режими роботи і низька комутаційна стійкість машин постійного струму (МПС) призводять до того, що щорічно ремонтується машин у кілька разів більше, ніж випускається нових електромашинобудівельними заводами. У відремонтованій машині, через особливості технологічного процесу ремонту, погіршуються магнітні та електричні характеристики активних матеріалів, що спричинює зміну параметрів секцій, що комутуються, і порушення комутації. Експлуатація таких машин призводить до неминучого виходу їх з ладу. Тому для підвищення якості ремонту, збільшення міжремонтних строків і встановлення фактичних значень статичної і динамічної перевантажувальної здатності необхідно проводити післяремонтні випробування і налагодження комутації МПС.

В умовах електроремонтних підприємств, де ремонтується широкий спектр машин різної потужності і конструктивного виконання, використання навантажувальних агрегатів вимагає застосування складного і дорогого парку випробувального устаткування і різноманітних навантажувальних агрегатів, що також дуже трудомістко. Тому актуальною задачею є розробка ефективних способів і засобів післяремонтних випробувань комутаційної стійкості відремонтованих машин, налагодження їхньої комутації, визначення реальних значень перевантажувальної здатності за струмом якоря і припустимої швидкості його зміни. Застосування динамічного навантаження відкриває нові можливості в цьому напрямку.

Додаткові втрати на вихрові струми у відремонтованій МПС призводять до збільшення запізнювання комутуючого потоку від струму якоря і, як наслідок, до зниження припустимої швидкості його зміни. Частота зрізу контуру швидкості, що характеризує його швидкодію і якість регулювання, обмежується припустимою швидкістю зміни струму якоря і для ряду виробничих механізмів є недостатньою внаслідок значного динамічного падіння швидкості і часу її відновлення. Тому не менш важливою задачею є розробка ефективних способів і засобів автоматичної корекції комутації широкорегульованих великих і унікальних МПС із метою усунення запізнювання комутуючого потоку в динаміці і підвищення статичної перевантажувальної здатності при регулюванні частоти обертання і наявності змінної складової струму якоря. Це в однаковій мірі актуально як для двигунів після ремонту, так і для виготовлених знову.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації знаходяться в рамках Комплексної державної програми енергозбереження (прийнята постановою № 911 Верховної Ради України від 15 листопада 1995 р.) і включені в план бюджетних науково-дослідних робіт Міністерства освіти України рішенням Координаційної ради від 28 грудня 1999 року, теми ГП № 246 "Розвиток теорії раціонального перетворення електроенергії в системі електропостачання пересувних електроспоживачів з індуктивним підводом електроенергії" і кафедри електричних машин Національної гірничої академії України.

Метою роботи є розробка нових методів, алгоритмів і засобів ідентифікації і підвищення комутаційної стійкості, перевантажувальної здатності за струмом якоря і припустимої швидкості його зміни відремонтованих машин великої потужності, що базуються, відповідно, на використанні динамічних режимів навантаження і математичної моделі комутуючого потоку, параметри якої визначаються рішенням польової задачі.

Об'єктом дослідження є процес ідентифікації і підвищення комутаційної стійкості, статичної і динамічної перевантажувальної здатності електричних машин постійного струму після ремонту.

Предметом дослідження є автоматизований комплекс динамічного навантаження, спосіб і алгоритм керування ним для визначення меж зони безіскрової роботи, ідентифікації гранично припустимого за умовами комутації струму якоря і швидкості його зміни, а також комплексна система автоматичного регулювання збудження додаткових полюсів для підвищення швидкодії електропривода постійного струму.

Основні задачі дослідження:

- наукове обґрунтування і розробка нового способу визначення комутаційної стійкості, статичної і динамічної перевантажувальної здатності машин великої потужності після ремонту методом динамічного навантаження без використання навантажувальних агрегатів;

- формулювання вимог до структури автоматизованого комплексу, розробка способів і алгоритмів керування ним для ідентифікації комутаційної стійкості і перевантажувальної здатності;

- дослідження найбільш важких за умовами комутації режимів роботи двигунів у системах підлеглого регулювання з позицій припустимої швидкості зміни струму якоря і впливу її на частоту зрізу контуру швидкості, швидкодію і точність регулювання;

- математичний опис процесів динамічного навантаження двигунів незалежного і послідовного збудження і синтез САК для забезпечення необхідного характеру перехідного процесу для ідентифікації їхньої комутаційної стійкості і перевантажувальної здатності;

- обґрунтування вимог і розробка структури до комплексної САК збудження додаткових полюсів на базі математичної моделі комутуючого потоку для підвищення статичної і динамічної перевантажувальної здатності машин великої потужності в системах Г-Д і ТП-Д;

Методи дослідження.

Для вирішення поставлених задач у роботі використані методи математичного моделювання, операторні методи розрахунку перехідних процесів і класична теорія комутації для розробки систем динамічного навантаження та аналізу найбільш важких за умовами комутації режимів роботи електроприводів постійного струму, теорія електромагнітного поля для побудови математичної моделі магнітного кола додаткових полюсів, методи теорії електричних машин і автоматизованого електропривода для побудови структурних схем систем динамічного навантаження, теорія автоматичного керування для синтезу регуляторів систем навантаження і САК комутації, методи синтезу програмного і інформаційного забезпечення. Експериментальна перевірка основних положень і результатів виконана за допомогою комп'ютерного моделювання і лабораторно-стендових випробувань.

Основні наукові положення та їх новизна.

1. Комутаційна стійкість, перевантажувальна здатність за струмом якоря і припустима швидкість його зміни, на відміну від відомих способів на базі навантажувальних агрегатів, ідентифікуються багаторазовою реалізацією трьохперіодної діаграми швидкості з різним рівнем струмообмеження і квазіусталених режимів коливання швидкості відносно заданого середнього значення, причому необхідний характер перехідних режимів забезпечується настроюванням САК динамічного навантаження методом стандартних характеристичних поліномів з урахуванням нулів передатної функції.

2. В системах динамічного навантаження двигун послідовного збудження з урахуванням впливу вихрових струмів по подовжній осі і включення обмотки збудження в діагональ випрямного моста стає об'єктом зі змінною структурою, що містить послідовно включені коливальну і форсуючу ланки, коли якір та обмотка збудження складають один контур, і аперіодичну ланку зі сталою часу обмотки якоря, коли якірне коло розпадається на два незалежних контури.

3. Система автоматичної корекції збудження додаткових полюсів на базі математичної моделі комутуючого потоку, що враховує вплив основної гармоніки вихрових струмів і сумарну дію всіх інших, на відміну від існуючих пристроїв на базі датчиків Хола, практично цілком компенсує запізнювання комутуючого потоку в динаміці, а використання при цьому керуючих впливів для корекції середньої лінії зони безіскрової комутації забезпечує максимально можливе значення перевантажувальної здатності широкорегульованих двигунів у системах Г-Д і ТП-Д.

Достовірність отриманих в роботі наукових результатів підтверджується застосуванням сучасних способів математичного опису режимів динамічного навантаження МПС незалежного і послідовного збудження, що базуються на використанні сучасних положень теорії електричних машин, автоматизованого електропривода та автоматичного керування, коректністю вихідних положень і прийнятих допущень, збігом теоретичних розробок з результатами комп'ютерного моделювання і даними експериментальних досліджень, а також позитивним досвідом упровадження результатів роботи в практику післяремонтних випробувань МПС.

Практичне значення отриманих результатів

- розроблено автоматизований комплекс, алгоритм навантаження, програму та методику випробувань комутаційної стійкості, перевантажувальної здатності і припустимої швидкості зміни струму якоря машин незалежного та послідовного збудження без взаємного навантаження, що підвищує ефективність і продуктивність випробувань, а також дозволяє якнайкраще відрегулювати додаткові полюси в режимі номінальних навантажень в умовах, близьких до реальних, і тим самим підвищити перевантажувальну здатність відремонтованих МПС;

- розроблено математичну модель системи динамічного навантаження, що дозволяє зробити її синтез і вибір раціональних режимів навантаження в процесі ідентифікації комутаційної стійкості і перевантажувальної здатності МПС;

- розроблений автоматизований комплекс дозволяє також проводити випробування комутаційної стійкості і перевантажувальної здатності машин постійного струму безпосередньо на місці їхньої експлуатації, що практично неможливо традиційними способами;

- отримано залежності припустимої швидкості зміни струму якоря машин з масивною і шихтованою станиною у функції ширини їхньої комутаційної зони та еквівалентної сталої часу вихрових струмів магнітного кола додаткових полюсів;

- розроблено комплексну САК збудження додаткових полюсів для підвищення статичної і динамічної перевантажувальної здатності МПС великої потужності з напруженими динамічними режимами роботи.

Особистий внесок здобувача.

Автор самостійно сформулював мету, задачі дослідження, наукові положення і результати, виконав теоретичну частину роботи, брав безпосередню участь у проведенні лабораторних і виробничих випробувань.

Особистий внесок дисертанта в роботи, опубліковані в співавторстві: [1, 7, 12] – запропоновано метод динамічного навантаження для післяремонтних випробувань комутаційної стійкості машин постійного струму; [3, 11] – розроблено систему автоматичної корекції комутації; [4] – запропоновано та розроблено математичну модель магнітного кола додаткових полюсів; [9] – отримано математичний опис та розроблено структурну схему динамічного навантаження двигунів послідовного збудження.

Апробація результатів дисертації.

Основні наукові положення і результати оприлюднені на шести міжнародних конференціях: "Современные технологии экономичного и безопасного использования электроэнергии" (м.Дніпропетровськ, НГАУ, 1997), "Проблемы создания новых машин и технологий" (м.Кременчук, КДПІ, 1998, 1999, 2000 р.м.), "Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика" (м.Харків, ХДПУ, 2000 р.).

Публікації.

Основні положення дисертаційної роботи викладені в 12 наукових працях, з яких 10 у фахових виданнях, та двох патентах України на винахід. Шість наукових праць написані без співавторів.

Структура й обсяг роботи.

Повний обсяг дисертації складає 164 сторінки друкованого тексту, до складу якого входять 148 сторінок основної частини, що містить вступ, п'ять розділів і висновки по роботі, список використаних літературних джерел і три додатки. Список використаних джерел містить 102 найменування і займає 9 сторінок. У дисертації налічується 52 малюнка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми і показано її зв'язок з науковими програмами і темами, сформульовані мета та основні наукові і практичні задачі дослідження, викладені наукові положення, що захищаються, показано наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, а також рівень апробації результатів роботи, кількість публікацій за темою та особистий внесок автора.

У першому розділі виконано аналіз існуючих методів і засобів випробувань комутаційної стійкості, визначення і підвищення перевантажувальної здатності МПС після ремонту. Дано характеристику традиційних методів і систем навантаження МПС у процесі експериментального дослідження комутації і показані їхні недоліки. Суттєво, що відомі способи практично не дозволяють експериментально визначити припустиму швидкість зміни струму якоря, яка є одним з основних динамічних параметрів двигуна, що характеризує швидкодію і якість регулювання контуру швидкості.

Показано, що у відремонтованій машині найбільші зміни зазнають комутаційна стійкість, гранично припустимий за умовами комутації струм якоря і припустима швидкість його зміни. Це обумовлено зміною параметрів секцій, що комутуються, через зміну магнітних властивостей електротехнічної сталі та утворення додаткових контурів для виникнення вихрових струмів.

Налагодження комутації методом зон безіскрової роботи дозволяє для відремонтованої машини досягти максимально можливої перевантажувальної здатності, встановити її виробничо-технологічну придатність. Обґрунтоване обмеження статичної і динамічної перевантажувальної здатності при налагодженні САК електропривода дозволяє підвищити надійність і ефективність використання відремонтованої машини і збільшити міжремонтні терміни.

В умовах електроремонтних підприємств у програму випробувань не входять, як правило, експериментальні дослідження комутаційної стійкості і перевантажувальної здатності, що обумовлено відсутністю необхідного парку дорогого спеціалізованого устаткування і різноманітних навантажувальних агрегатів. Показано, що подальший розвиток систем динамічного навантаження відкриває нові можливості в цьому напрямку.

Встановлено низьку ефективність відомих методів і засобів підвищення статичної і динамічної перевантажувальної здатності широкорегульованих МПС із напруженими динамічними режимами роботи через відсутність комплексного підходу до рішення цієї задачі.

В другому розділі запропонований новий спосіб експериментального дослідження комутаційної стійкості і статичної перевантажувальної здатності за струмом якоря. Сформульовано вимоги, розроблений автоматизований комплекс (рис. ) і алгоритм керування ним для ідентифікації зазначених параметрів.

Основними елементами комплексу є: комплектний реверсивний тиристорний перетворювач ТПЯ для живлення якоря випробовуваної машини, система керування, що містить регулятор струму якоря РС і швидкості РШ зі зворотним зв'язком за ЕРС чи напругою; задатчики інтенсивності струму якоря ЗІС і частоти обертання ЗІ; задавальний генератор ЗГ для створення змінної складової керуючого впливу UК~; тиристорний перетворювач ТПЗ із системою керування для живлення обмотки збудження; тиристорний перетворювач ТПП із системою керування СКП для підживлення-відживлення обмотки додаткових полюсів; датчики напруги ДН, струму якоря ДС, струму підживлення-відживлення ДСП, інтенсивності іскріння ДІ, підключені через блок сполучення БС до автоматизованого вимірювального комплексу на базі ЕОМ, що постачена програмою проведення випробувань і обробки результатів експерименту. Для об'єктивної оцінки рівня іскріння використовується індикатор іскріння.

Межі зон безіскрової роботи (чи заданого рівня іскріння) визначаються багаторазовою реалізацією трьохперіодної діаграми швидкості (рис. 2) з різним рівнем струмообмеження. Змінюючи МРС обмотки додаткових полюсів, реєструють за допомогою вимірювального комплексу струм якоря, струм підживлення-відживлення, частоту обертання (чи напругу на якорі) і інтенсивність іскріння. Обробкою результатів експерименту визначаються межі зон заданого рівня іскріння і гранично припустимий за умовами комутації струм якоря. За отриманими зонами безіскрової роботи здійснюється регулювання додаткових полюсів за відомою методикою.

Встановлено, що налагодження САК динамічного навантаження методом стандартних характеристичних поліномів (наприклад, по Грехему-Летропу, Соколову і Красовському) забезпечує необхідний характер перехідних процесів для визначення динамічної перевантажувальної здатності машин незалежного збудження. Отримані вирази для розрахунку коефіцієнтів підсилення регуляторів струму і швидкості:

; , (1)

де А1н, А2н – коефіцієнти стандартного нормованого рівняння третього порядку у відносному часі, що має вигляд Н(S)=S3 + А2н S2 + А1нS+1; Tя, Rя – стала часу та опір якірного кола; кпр, кзс, кзш – коефіцієнти передачі тиристорного перетворювача, зворотного зв'язку за струмом та швидкістю; Т - еквівалентна мала стала часу контуру струму; Тм – електромеханічна стала часу системи; К – коефіцієнт ЕРС (моменту) двигуна; Ф – магнітний потік двигуна.

Приводиться також методика побудови зон заданого рівня іскріння і визначення перевантажувальної здатності двигуна в системі Г – Д за отриманими зонами, що зняті шляхом динамічного навантаження при живленні якоря від тиристорного перетворювача.

Третій розділ присвячений розрахунку та експериментальному визначенню припустимої швидкості зміни струму якоря методом динамічного навантаження. Проаналізовані найбільш важкі за умовами комутації режими роботи електроприводів постійного струму з підлеглим регулюванням координат з позицій швидкості зміни струму якоря і впливу її на частоту зрізу контуру швидкості. До таких режимів належать: а) ступінчаста зміна завдання на вході регулятора швидкості; б) розгін двигуна від задатчика інтенсивності з максимально припустимим прискоренням; в) ступінчасте (ударне) прикладання статичного навантаження при номінальній частоті обертання. Для зазначених режимів отримані залежності частоти зрізу контуру швидкості у функції швидкості зміни струму якоря.

Розрахунок небалансової ЕРС і припустимої швидкості зміни струму якоря зводиться до визначення відносної неузгодженості між струмом якоря і комутуючим потоком, де Iя* = Iя/Iн, Фк* = Фк/Фкн – відносні значення відповідно струму якоря і комутуючого потоку. Зміна в часі комутуючого потоку при східчастому додатку МРС для машин з масивною і шихтованою станиною визначається виразами:

; , (2)

де ФОК – усталене значення комутуючого потоку, Tк – постійна часу вихрових струмів для к-ої гармонійної складової; n і m = 1, 3, 5 і.т.д. – цілі непарні числа.

На підставі (2) комутуючий потік може бути представлений математичною моделлю у вигляді паралельно включеного нескінченного ряду аперіодичних ланок з відповідними параметрами. Зіставленням експериментальних і розрахункових кривих, отриманих за допомогою датчика Хола, встановлено, що в системах підлеглого регулювання з погрішністю, що не перевищує 7 - 8 %, вплив вихрових струмів можна враховувати лише двома короткозамкненими контурами, один із яких враховує вплив основної гармоніки вихрових струмів, а інший – сумарну дію всіх інших.

При врахуванні впливу вихрових струмів лише одним короткозамкненим контуром з еквівалентною сталою часу Тф припустима швидкість зміни струму якоря визначається як , де Iп.н* - відносне значення ширини зони припустимого іскріння при номінальному струмі якоря, *, Iя* - відносні значення кутової швидкості і струму якоря; (Fдп+Fко)/(Fдп+Fко-Fря ); Fдп , Fко , Fря - МРС обмотки додаткових полюсів, компенсаційної обмотки і реакції якоря на полюс без урахування комутуючих секцій.

Розроблений автоматизований комплекс (рис. 1) дозволяє експериментально визначити припустиму швидкість зміни струму якоря у функції його усталеного значення і частоти обертання шляхом реалізації квазіусталених режимів коливання швидкості відносно заданого середнього значення. Після розгону двигуна до заданої швидкості на вхід регулятора швидкості подається змінна складова керуючого впливу прямокутної форми. При визначеній амплітуді і частоті змінної складової сигналу керування можна реалізувати навантаження двигуна знакозмінним струмом, форма якого близька до трапецеїдальної (рис.3).

Отримані залежності (рис. 4) відповідають двигуну з симетричною зоною припустимого рівня іскріння, ширина якої в режимі ідеального холостого ходу дорівнює 0,3 Iн, і статичною перевантажувальною здатністю = 2,5.

У четвертому розділі досліджені питання експериментального визначення комутаційної стійкості МПС послідовного збудження та ідентифікації статичної і динамічної перевантажувальної здатності. Основною особливістю динамічного навантаження двигунів послідовного збудження (ДПЗ) є те, що для зміни знака моменту необхідно забезпечити незмінний напрямок, наприклад, струму обмотки збудження (ОЗ). Це досягається включенням ОЗ у діагональ випрямного мосту. При цьому в гальмівних режимах при зміні полярності струму якоря струм в обмотці збудження під дією ЕРС самоіндукції тече в попередньому напрямку через вентилі діодного мосту (рис. 5), та спадає по експоненціальному закону з великою сталою часу Тв = Lв/Rв, тобто силове коло розпадається на два незалежних контури.

З урахуванням розпаду силового кола на два окремих контури, структурна схема системи динамічного навантаження ДПЗ має вигляд, представлений на рис.6, де – передатна функція якірного кола двигуна до розпаду силового кола на два контури; – передатна функція якірного кола двигуна після розпаду силового кола на два контури; – передатна функція контуру вихрових струмів по поперечній осі двигуна; ер – небалансова ЕРС, що виникає в результаті запізнювання комутуючого потоку.

Таким чином, у системах динамічного навантаження двигун послідовного збудження є об'єктом зі змінною структурою, що ускладнює структуру, синтез і апаратну реалізацію систем динамічного навантаження. У результаті синтезу систем динамічного навантаження методом стандартних характеристичних поліномів з урахуванням нулів передатної функції встановлено, що необхідний характер перехідних процесів для ідентифікації статичної і динамічної перевантажувальної здатності забезпечується вибором розподілу коренів за арифметичною прогресією на дійсній негативній півосі. При цьому коефіцієнт передачі і стала інтегрування регулятора струму визначаються як

Коефіцієнт підсилення регулятора швидкості .

Дослідження показали, що налагодження САК динамічного навантаження ДПЗ за приведеними виразами забезпечує необхідний характер перехідного процесу для експериментального дослідження комутаційної стійкості і перевантажувальної здатності (рис. 5).

У п'ятому розділі наведено результати розробки і дослідження комплексної системи автоматичного регулювання збудження додаткових полюсів, побудованої з використанням математичної моделі комутуючого потоку у вигляді двох паралельно включених аперіодичних ланок. Застосування такої моделі розширює функціональні можливості відомих САК МРС додаткових полюсів і дозволяє не тільки практично цілком компенсувати запізнювання комутуючого потоку в динаміці і зняти обмеження за припустимою швидкістю зміни струму якоря, але і введенням керуючих сигналів, пропорційних зсуву середньої лінії зони безіскрової роботи при регулюванні частоти обертання і пульсуючому струмі якоря, підвищити статичну перевантажувальну здатність широкорегульованих двигунів.

Основними елементами системи є керований тиристорний перетворювач, що підключається або безпосередньо на обмотку додаткових полюсів або на багатовиткову обмотку меншого перерізу, а також датчики сигналів керування, пропорційних: а) неузгодженості в змінах струму якоря і комутуючого потоку в динаміці; б) швидкості зміни струму якоря; в) зсуву середньої лінії зони безіскрової роботи при регулюванні частоти обертання вище номінальної; г) зсуву середньої лінії зони безіскрової роботи у функції величини рівня пульсацій струму якоря.

Виконані експериментальні дослідження показали, що застосування запропонованої системи автоматичного регулювання збудження додаткових полюсів збільшує перевантажувальну здатність двигуна П-52 (4,3 кВт, 25,1 А, 1000/3000 об/хв) при частоті обертання 2000 об/хв із 0,8 Iн до 1,7 Iн, а двигуна П-42 (4,5 кВт, 25,4 А, 1500 об/хв) з 0,9 Iн до 2,1 Iн. Для двигуна П-52 при пульсуючому струмі якоря (коефіцієнт пульсацій струму якоря кi = 0,11) перевантажувальна здатність збільшується з 1,3 Iн до 2,8 Iн внаслідок усунення значної асиметрії гілок зони безіскрової роботи, що викликана наявністю змінної складової струму якоря.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вперше поставлена і вирішена актуальна науково-технічна задача ідентифікації комутаційної стійкості, статичної і динамічної перевантажувальної здатності МПС великої потужності після ремонту методом динамічного навантаження без застосування навантажувальних агрегатів, що дозволяє робити комутаційні випробування великих МПС у режимі номінального потоку і необхідних струмових навантажень, спростити процедуру випробувань, скоротити трудомісткість і витрати на придбання різноманітного устаткування. Запропонована також комплексна система автоматичного регулювання збудження додаткових полюсів на базі математичної моделі комутуючого потоку, що практично цілком усуває запізнювання комутуючого потоку в динаміці і коректує положення середньої лінії зони безіскрової роботи, що підвищує статичну і динамічну перевантажувальну здатність, а ,отже, і швидкодію широкорегульованих електроприводів з напруженими динамічними режимами роботи. Виконані в дисертаційній роботі дослідження дозволяють зробити такі висновки:

1. Розроблений і запатентований спосіб, алгоритм керування і засоби для ідентифікації меж зони безіскрової роботи, гранично припустимого за умовами комутації струму якоря і припустимої швидкості його зміни на базі систем динамічного навантаження без використання навантажувальних агрегатів.

2. Сформульовано вимоги і розроблено автоматизований комплекс для післяремонтних випробувань методом динамічного навантаження комутаційної стійкості та експериментального визначення статичної і динамічної перевантажувальної здатності машин постійного струму, основу якого складає комплектний тиристорний перетворювач з регуляторами координат, індикатор іскріння, комп'ютер, датчики контрольованих величин, необхідних для побудови комутаційних зон, блок сполучення і програмне забезпечення.

3. Поставлена і вирішена задача експериментального визначення припустимої швидкості зміни струму якоря у функції його сталого значення і частоти обертання.

4. Досліджено найбільш важкі за умовами комутації режими роботи електроприводів постійного струму з позицій припустимої швидкості зміни струму якоря.

5. Розроблені методи, засоби та алгоритми керування можуть бути використані також для комутаційних випробувань і налагодження комутації великих і унікальних машин у режимах номінальних (і вище) струмових навантажень в умовах випробувальних станцій електромашинобудівельних заводів і безпосередньо на місці їхньої експлуатації, що скорочує витрати на остаточне налагодження комутації таких машин.

6. Встановлено, що в системах динамічного навантаження двигун послідовного збудження, обмотка збудження якого включена в діагональ випрямного моста, є об'єктом зі змінною структурою: послідовне включення коливальної і форсуючої ланок, коли обмотки якоря і збудження складають один послідовний контур; аперіодична ланка з постійної часу обмотки якоря, коли силове коло розпадається на два незалежних контури.

7. Запропоновано методику синтезу систем динамічного навантаження двигунів незалежного і послідовного збудження методом стандартних нормованих поліномів з урахуванням нулів передатної функції для забезпечення необхідного характеру перехідних процесів.

8. Розроблено математичну модель систем динамічного навантаження двигунів незалежного і послідовного збудження, що дозволяє синтезувати САК, досліджувати навантажувальні режими, швидкодію, якість регулювання і характер зміни струму якоря в динаміці при експериментальному дослідженні їхньої комутаційної стійкості і перевантажувальної здатності.

9. Розроблено математичну модель комутуючого потоку для машин з масивною і шихтованою станиною у вигляді нескінченного ряду паралельно включених аперіодичних ланок, параметри яких визначаються рішенням польової задачі, причому в системах підлеглого регулювання запізнювання комутуючого потоку з погрішністю, що не перевищуює 8 %, може бути визначене за допомогою математичної моделі, що містить лише дві паралельно включені аперіодичні ланки, одна з яких враховує вплив основної гармоніки вихрових струмів, а друга – сумарну дію всіх інших. Наведено вирази для розрахунку параметрів цих ланок для машин з масивною і шихтованою станинами.

10. Запропоновано методику експериментально-розрахункового визначення припустимої швидкості зміни струму якоря у функції відносної ширини зони припустимого рівня іскріння, еквівалентної сталої часу вихрових струмів магнітного кола додаткових полюсів і ступеня компенсації реакції якоря.

11. На базі математичної моделі комутуючого потоку розроблена комплексна система автоматичного регулювання збудження додаткових полюсів, що компенсує запізнювання комутуючого потоку в динаміці, а також зсув середньої лінії зони безіскрової роботи при регулюванні частоти обертання і пульсуючому струмі якоря, що підвищує статичну і динамічну перевантажувальну здатність, а, отже, і швидкодію електропривода. Сформульовано основні вимоги і запропоновано методику вибору основних параметрів САК збудження додаткових полюсів.

12. Виконані теоретичні та експериментальні дослідження за допомогою ЕОМ і на стендовому устаткуванні підтвердили основні теоретичні положення, які сформульовано в роботі, показали працездатність і ефективність розробленого способу, засобів і алгоритмів динамічного навантаження для післяремонтних випробувань і налагодження комутації машин постійного струму, а також ідентифікації перевантажувальної здатності і припустимої швидкості зміни струму якоря.

Основні наукові положення та результати дисертації опубліковано в наступних роботах:

1. Колб А.А. Повышение быстродействия электроприводов при ударных нагрузках путем увеличения допустимой скорости изменения тока якоря // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ.- Вып.1/1999.- Кременчуг: КГПИ, 1999. - с.45 – 48.

2. Иванов А.Б., Колб А.А. Повышение допустимой скорости изменения тока якоря в автоматизированном электроприводе постоянного тока // Горн. электромеханика и автоматика : Межвед. науч.-техн. сб. НГА України – 1999.- Вып.№ 3 (62).- с.14 – 21.

3. Иванов А.Б., Колб А.А. Расчет допустимой скорости изменения тока якоря в системах подчиненного регулирования на базе математической модели магнитной цепи добавочных полюсов // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ.- Вып.2/1999.- Кременчуг: КГПИ, 1999. - с.8 – 13.

4. Колб А.А. Анализ наиболее тяжелых по условиям коммутации режимов работы двигателей в электроприводах постоянного тока // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ.- Вып.2/1999.- Кременчуг: КГПИ, 1999. - с.97 – 101.

5. Колб А.А. Динамические свойства системы коррекции коммутирующего потока с релейным регулятором // Науковий вісник НГА України. – 1999. - № 3. - с.132 – 134.

6. Иванов А.Б., Колб А.А. Послеремонтные испытания и настройка коммутации электрических машин постоянного тока методом динамического нагружения. // Горн. электромеханика и автоматика : Межвед. науч.-техн. сб. НГА України – 1999.- Вып.№ 4 (63). – с. 53 – 62.

7. Колб А.А. Экспериментальное определение допустимой скорости изменения тока якоря машин постоянного тока методом динамического нагружения // Горн. электромеханика и автоматика : Межвед. науч.-техн. сб. НГА України – 2000.- Вып.№ 5 (64). – с. 49 – 53.

8. Воробьев А.А., Иванов А.Б. Колб А.А. Исследование режимов динамического нагружения двигателей последовательного возбуждения в процессе послеремонтных испытаний коммутационной устойчивости // Вісник Харківського державного політехнічного університету. Збірник наукових праць. Тематичний випуск 113.- Харків, ХДПУ.- 2000. - с. 181 - 183.

9. Колб А.А. Система автоматической стабилизации средней линии области безыскровой работы машин постоянного тока // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ. Вып 1/2000 (8) – Кременчуг: КГПИ, 2000. – с.81 – 84.

10. Колб А.А. Расчет коммутирующего потока электродвигателей постоянного тока в переходных режимах // Сборник научных трудов НГА Украины № – Днепропетровск: РИК НГА Украины, 2000. – с.184 - 189.

11. Пат. України. № 33504 А. Пристрій для поліпшення комутації колекторних електричних машин постійного струму / Іванов О.Б., Поляков М.Г., Колб А.А. – № 99031185; Заявл. 03.03.1999 р. Опубл. бюл. № 1, 2001 р.

12. Пат. України № 33503 А. Спосіб визначення меж зони безіскрової роботи комутації колекторних електричних машин постійного струму / Іванов О.Б., Бешта О.С., Колб А.А. - № 99031181; Заявл. 03.03.1999 р.; Опубл. бюл. № 1, 2001 р.

Анотація

Колб А.А. Післяремонтні випробування перевантажувальної здатності методом динамічного навантаження та підвищення швидкодії електропривода постійного струму. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи. – Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2000.

Дисертація присвячена розробці методів та засобів післяремонтних випробувань комутаційної стійкості, ідентифікації гранично припустимого за умовами комутації струму якоря і припустимої швидкості його зміни на базі систем динамічного навантаження. Розроблено автоматизований комплекс, запропоновано математичну модель і виконано синтез систем динамічного навантаження. На базі математичної моделі комутуючого потоку розроблено комплексну систему автоматичного регулювання МРС додаткових полюсів для усунення неузгодженості в змінах струму якоря і комутуючого потоку в динаміці і корекції положення середньої лінії зони безіскрової роботи при регулюванні частоти обертання і наявності змінної складової струму якоря.

Ключові слова: випробування, динамічне навантаження, комутаційна стійкість, перевантажувальна здатність, автоматизований комплекс, корекція комутації.

Аннотация

Колб А.А. Послеремонтные испытания перегрузочной способности методом динамического нагружения и повышение быстродействия электропривода постоянного тока. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы. – Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2000.

Диссертация посвящена разработке методов и средств послеремонтных испытаний коммутационной устойчивости, идентификации предельно допустимого по условиям коммутации тока якоря и допустимой скорости его изменения на базе систем динамического нагружения.

Выполнен анализ существующих способов и средств исследования и повышения коммутационной устойчивости и перегрузочной способности. Обоснована целесообразность применения систем динамического нагружения для послеремонтных испытаний коммутационной устойчивости машин постоянного тока.

Сформулированы требования и разработан автоматизированный комплекс для послеремонтных испытаний методом динамического нагружения коммутационной устойчивости и экспериментального определения статической и динамической перегрузочной способности машин постоянного тока.

Исследованы наиболее тяжелые по условиям коммутации режимы работы электроприводов постоянного тока с позиций допустимой скорости изменения тока якоря.

Установлено, что в системах динамического нагружения двигатель последовательного возбуждения, обмотка возбуждения которого включена в диагональ выпрямительного моста, является объектом с переменной структурой: последовательное включение колебательного и форсирующего звеньев, когда обмотки якоря и возбуждения образуют один последовательный контур; апериодическое звено с постоянной времени обмотки якоря, когда силовая цепь распадается на два независимых контура.

Предложена методика синтеза систем динамического нагружения двигателей независимого и последовательного возбуждения методом стандартных нормированных полиномов с учетом нулей передаточной функции для обеспечения требуемого характера переходных процессов.

Разработана математическая модель коммутирующего потока для машин с массивной и шихтованной станиной в виде бесконечного ряда параллельно включенных апериодических звеньев, параметры которых определяются решением полевой задачи. Причем в системах подчиненного регулирования запаздывание коммутирующего потока с погрешностью не превышающей 8 % может быть определено с помощью математической модели, включающей лишь два параллельно включенных апериодических звена, одно из которых учитывает влияние основной гармоники вихревых токов, а второе – суммарное действие всех остальных. Приведены выражения для расчета параметров этих звеньев для машин с массивной и шихтованной станинами.

Предложена методика экспериментально-расчетного определения допустимой скорости изменения тока якоря в функции относительной ширины зоны допустимого уровня искрения, эквивалентной постоянной времени вихревых токов магнитной цепи добавочных полюсов и степени компенсации реакции якоря.

На базе математической модели коммутирующего потока разработана комплексная система автоматического регулирования возбуждения добавочных полюсов, компенсирующая запаздывание коммутирующего потока в динамике, а также смещение средней линии зоны безыскровой работы при регулировании частоты вращения и пульсирующем токе якоря, что повышает статическую и динамическую перегрузочную способность, а следовательно и быстродействие электропривода. Сформулированы основные требования и предложена методика выбора основных параметров САР возбуждения добавочных полюсов.

Ключевые слова: испытания, динамическое нагружение, коммутационная устойчивость, перегрузочная способность, автоматизированный комплекс, коррекция коммутации.

Abstract

Kolb A.A. Post-repairing tests of reloading ability by dynamic loading method and increasing of fast-activity of the direct current electric drive. - Manuscript.

Thesis for candidate of technical science degree by speciality 05.09.03 - Electrotechnical complexes and systems. - National mining university of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2000.

The thesis is devoted to development of methods and means post-repairing tests of commutation stability, identification maximum permissible on conditions of commutation of a current of an armarure and allowable speed of its change on the basis of dynamic loading systems. The automated complex is developed, the mathematical model is offered and synthesis of dynamic loading systems is carryed out. The complex system of automatic control МMF of additional poles, on the basis of mathematical model of commutation flow, for elimination of a mismatch in changes of a current of an armature and commutation flow in dynamics and correction of position of an average line of a zone sparkless works at regulation of speed of rotation and presence of a alternating component of a current of an armature is developed.

Key words: tests, dynamic loading, commutation stability, reloading ability, automated complex, correction of commutation.