автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Переменная структура и локальные алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом горных машин

На правах рукописи

ИВАНОВ Александр Сергеевич

ПЕРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА И ЛОКАЛЬНЫЕ АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ГОРНЫХ МАШИН

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 СЕН 2т

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2010

004608164

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

КозярукА.Е.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Ефимов АЛ.,

кандидат технических наук

Линник В.Б.

Ведущее предприятие - ОАО «Силовые машины», филиал «Электросила».

Защита диссертации состоится 29 сентября 2010 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 27 августа 2010 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

В.В.ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важной системной особенностью современного технологического оборудования (в т.ч. горного оборудования), является необходимость последовательного обеспечения нескольких задач управления, возникающих по мере переключения режимов его работы. Переключение режимов работы должно осуществляться при достижении определенных состояний (скорости, мощности, момента) привода и внешней среды с учетом командных сигналов с пульта управления.

Современные экскаваторы с большим объемом ковша преимущественно оснащаются регулируемыми электроприводами. Регулируемые приводы способствуют повышению надежности механизмов, обеспечению плавности пуска, способствуют экономии электроэнергии и повышению производительности экскаваторов. Однако современным частотно-регулируемым асинхронным электроприводам, создаваемым в подавляющем большинстве по системе неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения, присущи недостатки, связанные с невозможностью реализации рекуперативных режимов, а также невысоким уровнем электромагнитной совместимости с питающей сетью, что обусловлено нелинейной нагрузкой управляемого электропривода.

Многорежимный характер работы горной машины вызывает необходимость построения таких систем управления, которые обеспечивали бы требуемые критерии оптимальности для всех режимов работы электропривода. От того, насколько успешно выполняются все локальные требования, зависит качество управляемого процесса в целом, поэтому системы с фиксированной структурой, настрае-выемые по некоторому обобщенному критерию, обычно не обеспечивают каждому из режимов наилучшего качества управления.

Разработка же переменной структуры управления частотно-регулируемым приводом горных машин и локальных алгоритмов для ее эффективного функционирования ведет к повышению эксплуатационной надежности и энергоэффективности регулируемых электроприводов переменного тока.

В основу выполненных исследований легли работы Браслав-ского И.Я., Демирчяна К.С., Дроздова В.Н., Емельянова А.П., Ефимова A.A. Жежеленко И.В., Микитченко А .Я., Пронина М.В., Рудакова В.В., Чаплыгина Е.Е., Шидловского А.К., Шрейнера Р.Т. и др.

Цель работы: разработка структуры и алгоритмов управления частотно регулируемым приводом горных машин, обеспечивающих электромагнитную совместимость привода с питающей сетью и снижения его энергопотребления за технологический цикл.

Для реализации поставленной цели были решены следующие основные задачи исследования:

> Проведен анализ и дана оценка основных типов бездатчико-вых систем с учетом различных режимов работы и нагрузки.

> Разработан алгоритм управления электроприводом с учетом информации от бездатчиковой системы диагностики и адаптивного наблюдателя.

> Создан экспериментальный макет электропривода с активным выпрямителем и исследованы режимы работы конкретных типов механизмов экскаватора типа ЭКГ.

> Разработана математическая модель электропривода и отработаны алгоритмы его управления.

> Сформирована мультиструктурная система управления электроприводом на базе разработанных алгоритмов управления.

Идея работы. Эффективная работа электропривода переменного тока горных машин в каждом режиме и качества электроэнергии средствами электропривода достигается использованием мультиструкгур-ной системы управления бездатчиковым частотно-регулируемым приводом и выпрямителем с активным передним фронтом, что обеспечивает оптимшацшо режима работы по принимаемым критериям.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы методы теории обобщенной электрической машины и микропроцессорных систем управления, математического моделирования динамических процессов в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями при реализации различных алгоритмов управления в среде Ма1ЬаЬ.

Научная новизна работы:

> Установлена нелинейная зависимость влияния закона управления частотно-регулируемым электроприводом на его быстродействие в контуре тока (момента).

> Установлена степень влияния режима работы силовых ключей активного выпрямителя с релейно-импульсной системой управления на уровень потребления активной мощности электроприводом экскаватора.

Защищаемые научные положения:

1. Для оптимизации режимов работы электропривода горных машин по выбранному критерию (быстродействие, стабилизация скорости, мощности, ограничение тока или момента) в каждом режиме работы машины или механизма, следует использовать переменную структуру системы регулирования с реализацией локальных алгоритмов обеспечения эффективной работы электропривода в двигательном и тормозном режимах и электромагнитной совместимости в части качества электрической энергии.

2. Обеспечение электромагнитной совместимости с питающей сетью в требуемых нормами значениях и повышение качества электрической энергии целесообразно на базе использования в электроприводе переменного тока горных машин выпрямителей с передним активным фронтом.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на удовлетворительной сходимости результатов математического моделирования и экспериментальных исследований. Они подтверждаются результатами исследований других авторов.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке

^ эффективных локальных алгоритмов мультиструкгурной системы управления электроприводами для характерных условий горных машин

> таблицы переключений силовых ключей для релейно-импульсной системы управления активным выпрямителем. Личный вклад автора. Разработаны алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом в режимах стабилизации момента и потребляемой мощности. Разработана математическая модель асинхронного электропривода с адаптивным наблюдателем основных координат электропривода. Создан и исследован макетный образец с активным выпрямителем.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2004, 2006, 2007 и 2008 гг. в СПГГИ (ТУ); политехническом симпозиуме: «Молодые ученые промышленности Северо-западного региона» в 2006 и 2007 г; в ДВГТУ на восьмом международном форуме студентов,

аспирантов и молодых ученых в 2008 г; на международной Фрайбергской горной конференции Berg-und Hüttenmännischer Tag 2008 и 2009 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в том числе в 4 научных изданиях, включенных в «Перечень ВАК...».

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 182 страницах, содержит 49 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 61 наименования и 2 приложения.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 1 приведена характеристика научно-технической задачи совершенствования алгоритмов управления регулируемыми электроприводами, рассматриваются основные типы систем управления электроприводами с резкопеременной динамической нагрузкой.

В главе 2 произведен анализ существующих традиционных технических средств и решений, направленных на повышение качества электроэнергии сетей горнодобывающих предприятий и проблемы электромагнитной совместимости частотно-регулируемых электроприводов с питающей сетью.

В главе 3 приведены результаты математического моделирования частотно-регулируемого электропривода с активным выпрямителем.

В главе 4 приведены описание макета электропривода с активным выпрямителем, результаты экспериментальных исследований, исследованы особенности использования активного выпрямителя в электроприводе горных машин.

В главе 5 рассматриваются возможности адаптивного наблюдателя основных координат для диагностики состояния электропривода в процессе его работы.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Для оптимизации режимов работы электропривода горных машин по выбранному критерию (быстродействие, стабилизация скорости, мощности, ограничение тока или момента) в каж-

дом режиме работы машины или механизма, следует использовать переменную структуру системы ре1улирования с реализацией локальных алгоритмов обеспечения эффективной работы электропривода в двигательном и тормозном режимах и электромагнитной совместимости в части качества электрической энергии.

Широкий спектр современных горных машин, работающих в режимах нелинейной нагрузки, преимущественно оснащаются регулируемыми электроприводами главных технологических механизмов. Регулируемые приводы обеспечивают плавность пуска и повышают производительность горной машины.

Важной системной особенностью современного технологического оборудования является необходимость последовательного обеспечения нескольких задач управления, возникающих по мере изменения режимов его работы. Многорежимный характер работы горных машин вызывает необходимость построения таких систем

управления, которые обеспечивали бы требуемые критерии оптимальности для всех режимов работы электропривода. От того, насколько успешно выполняются все локальные требования, зависит качество управляемого процесса в целом, поэтому системы с фиксированной структурой, настраевыемые по некоторому обобщенному критерию, обычно не обеспечивают каждому из режимов наилучшего качества управления и, следовательно, не обеспечивают заданных свойств технологического процесса.

Мультиструктурной системой называется САУ, структура которой качественно изменяется с изменением частных целей

И

X* >-> т —^ к

н

£

ОУ

Рис.1 Общая схема мультиструктурной системы управления, где х* - задающий сигнал; х - выходной сигнал; Р1,Р2,...,Р„ - локальные регуляторы, К - коммутатор, ц - внешнее воздействие, ОУ - объект управления

управления. Общий вид мультиструктурной системы управления (МСУ) представлен на рис. 1.

МСУ можно рассматривать как систему с конечным числом дискретных режимов гь г2, ... гп, в каждом из которых к процессу управления предъявляются конкретные требования. Переключение режимов осуществляется по текущей информации о состоянии объекта х и внешней среды р, командами на переключение гс, что аналитически можно выразить в виде алгоритма переключения структуры:

где г - символьная переменная, принимающая значения из области £!={ гь г2, ..., г5, ... г„}; рг - оператор квантования, который сигналам х, р, гс ставит в соответствие значение символа геП.

Так как каждому состоянию САУ ставится в соответствие локальный регулятор, то многорежимная система должна содержать группу многоконтурных локальных регуляторов Р8, каждый из которых реализует собственный алгоритм управления.

Применение МСУ оказывается оправданным в тех случаях, когда для горной машины характерным является следующее:

> интенсивный повторно-кратковременный режим работы;

> влияние на характер нагрузки внешних факторов, возникающих из-за неопределенности внешних условий эксплуатации горной машины

> ограниченный источник мощности в питающей сети.

Наиболее полно все перечисленные требования предъявляются к электроприводам главных механизмов одноковшовых карьерных экскаваторов.

На основании вышеперечисленных характерных особенностей функционирования объекта управления были сформулированы требование для локальных регуляторов (ЛР) МСУ: > для эффективной работы МСУ необходимо минимум два ЛР, обеспечивающих как максимальное быстродействие электродвигателя в контуре тока при резкопеременной нагрузке, так и регулирование потребляемой из сети энергии.

г=рг(х, р, гс),

(1)

Р8:и = и8 (х, х*, р)

(2)

> ЛР, обеспечивающий быстродействие может быть реализован как с помощью двух независимых локальных регуляторов скорости и момента, так и совмещеным.

> Вторым локальным регулятором в этом случае будет локальный регулятор мощности, расположенный на стороне управляемого выпрямителя.

Функциональная схема МСУ привода экскаватора представлена на рис.2.

На рис.2, обозначены: Uac, Übe, Ucc - фазные напряжения питающей сети, БД 1,2 - блоки датчиков сетевого тока и напряжения и тока и напряжения инвертора, Наблюдатель 1,2 - вычисляют значения потребляемой из сети активной мощности и момент, частоту

вращения и поток двигателя соответственно, БЬБб (АВ) - положение в пространстве вектора напряжения питающей сети, Б1-86 (Д) -положение в пространстве вектора потокосцепления статора двигателя, БРАВ, БРАД - блоки регуляторов активного выпрямителя и двигателя, ТПАВ, ТЦД - таблицы переключений ключей активного выпрямителя и инвертора,Ш - Ш - комбинации управляющих сигналов для ключей транзисторно го моста, ЗПТ - звено постоянного тока преобразователя частоты, Сф - емкостной фильтр, АД - асинхронный двигатель, К - коммутатор, ЛРМ - локальный регулятор мощности, ЛРАД - локальный регулятор скорости и момента двигателя.

ЛРМ обеспечивает регулирование потребляемой электроприводом мощности в заданных пределах за счет работы входящего в него регулятора мощности (РМ), который, в зависимости от режима работы электропривода, по сигналу с коммутатора (К,) или передает сигнал задания мощности Рзад на сумматор неизменным или регулирует его, что выражается в плавном нарастании значения заданной мощности вместо его скачкообразного изменения.

Коммутатор подает сигнал К, на регулирование мощности, если выполняются два условия:

> Частота вращения ротора двигателя за интервал дискретности ДБП коммутатора изменяется больше, чем на уставку реле Р1;

> Момент на валу двигателя меньше либо равен номинальному.

Функциональная схема коммутатора представлена на рис.3., где: ДБП -блок памяти, С - сумматор, Р1, Р2 - релейные элементы, & - логический элемент «И».

На коммутатор от наблюдателя приходит информация о значениях частоты вращения со и моменте М на валу в каждый дискретный момент времени ДБТ сохраняет предыдущее значение частоты вращения ©м и, если разница значений со в текущий момент вре-

Коммутатор

14

Р2 1

ДБП

Рис.3 Функциональная схема коммутатора

мени и на предыдущем шаге счета больше, чем заранее заданная уставка реле Р1, то на первый вход логического элемента «И» поступает единичный сигнал. Реле Р2 представляет собой нормально-замкнутое реле с уставкой ±МН (номинальный момент двигателя). Соответственно, на второй вход логического элемента «И» единичный сигнал приходит до тех пор, пока М(<М„ и двигатель находится в зоне «малых моментов» и значит оба условия включения РМ соблюдаются.

Для выбора ЛР для АД (ЛРАД) было проведено имитационное моделирование в системе МаИаЬ7.10/51тиПпк электропривода подъема экскаватора ЭКГ-35К мощностью 200кВт, где сравнивались векторный алгоритм управления (ВУ) и алгоритм прямого управления моментом (ПУМ).

Результаты имитационного моделирования представлены кривыми изменения частоты вращения (рис.4.) и механического момента (рис.5.) в приводе с ВУ (а) и ПУМ (б).

Рис.4. Изменение частоты вращения электродвигателей при векторном управлении (а) и при прямом управлении моментом (б).

Моделирование проводилось 16 секунд, за первую секунду происходило плавное нарастание нагрузки до 1000 Н*м, на 2 секунде скачкообразный наброс на 500 Н*м, на 11 секунде снижение на 500 Н*м. Задание по скорости с первой по шестую секунду со3 =989 об/мин (номинальная скорость двигателя), с шестой по девятую секунды а>3 =0 об/мин, с девятой до пятнадцатой секунды - реверс (<в3

=-989 об/мин) с последующим выходом в ноль. Подобное задание соответствует тахограмам работы привода подъема экскаватора за

Рис.5. Изменение момента на валу электродвигателей при векторном управлении (а) и при прямом управлении моментом (б).

Для подтверждения адекватности имитационных моделей реальным электроприводам был создан физический макет электропривода экскаватора с двигателем мощностью 0.75 кВт (рис.6.). Основные результаты сравнения физической и имитационной модели с параметрами двигателя макетной установки приведены в табл. 1. Данные, полученные на физической модели, совпадают с соответствующими значениями для имитационной модели в пределах 93%, соответственно имитационная модель в достаточной степени отражает физические процессы, проходящие в реальных электроприводах.

Рис.6 Экспериментальная модель электропривода экскаватора с двигателем мощностью 0.75 кВт

Таблица 1

Результаты сравнения физической и имитационной модели

Сопоставляемый параметр Физическая модель Имитационная модель

Время разгона до номинальной частоты вращения 1,2 с 1,22 с

Выход на новое значение момента при отработке «скачка» момента сопротивления 0,2 от номинального 0,3 с 0,28 с

Среднее действующее значение тока статора при номинальной нагрузке 2,08 А 1,93 А

Основные результаты имитационного моделирования системы векторного управления (ВУ) и системы прямого управления моментом (ПУМ) с последующим анализом полученных кривых показали:

> для электроприводов с прямым управлением моменом характерна более быстрая (0,02 с для ПУМ против 0,18 с для ВУ) отработка возмущающего воздействия;

> для ВУ при динамической нагрузке частота вращения вала двигателя может снижаться до 17% от номинальной против 3-5% для ПУМ;

> при ПУМ пульсации момента в 1,2-2,3 раза больше чем при ВУ, в зависимости от режима работы электропривода.

ПУМ обладает лучшими динамическими характеристиками при регулировании момента и больше подходит для работы со случайной резкопеременной нагрузкой, что позволяет отдать предпочтение ПУМ как ЛР для электроприводов экскаватора.

Работу МСУ наглядно демонстрирует, кривая 1 потребления активной мощности из сети (рис.7), полученая при работе электропривода без ЛРМ, кривая 2-е ЛРМ в структуре МСУ. В зоне I электропривод разгоняется до частоты вращения 1,2ю„ с моментом сопротивления 0,ЗМн. Так как условия для включения ЛРМ соблюдены, коммутатор дает сигнал на разрешение регулирования потребляемой мощности, и пиковая нагрузка на сеть с ЛРМ на 28% ниже, чем без его использования.

При переходе в зону II происходит скачкообразный наброс момента сопротивления Мс=1,3 Мн, условия включения ЛРМ не выполняются и оба электропривода одинаково отрабатывают возросшую нагрузку.

Р, Вт,х105

Рис.7. Изменения активной мощности, потребляемой электроприводом экскаватора: 1 - без ЛРМ, 2-е ЛРМ.

2. Обеспечение электромагнитной совместимости с питающей сетью в требуемых нормами значениях и повышение качества электрической энергии целесообразно на базе использования в электроприводе переменного тока горных машин выпрямителей с передним активным фронтом.

Основным способом повышения совместимости электроприводов со статическими преобразователями и питающей сети является использование фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ). Другой способ заключается в использовании в электроприводах переменного тока преобразователей частоты с активным выпрямителем (выпрямителем с активным передним фронтом (АЕБ) по терминологии зарубежных фирм). Под активным выпрямителем (АВ) понимается выпрямитель на полностью управляемых ЮВТ - или ШСТ -элементах, работающих в релейных или импульсно-модуляционных режимах ШИМ с применением замкнутых систем автоматического регулирования.

Помимо улучшения электромагнитной совместимости с питающей сетью активные выпрямители позволяют реализовать режим рекуперативного торможения, т.е. улучшают энергетические показатели электропривода.

Преобразователи частоты с активным выпрямителем обладают рядом свойств, отличающих их от пассивных ФКУ и обуславливающих их перспективное применение в энергосберегающих электроприводах переменного тока:

> устойчивая работа при возникновении помех в напряжении сети;

> снижение коэффициента нелинейных искажений;

> экономия энергии за счёт отдачи избыточной энергии в сеть;

> коэффициент мощности при работе преобразователя с активным выпрямителем может достигать единицы;

> обеспечение возможности сокращения потерь энергии в процессе ее преобразования.

На сегодняшний день существует много вариантов реализации активных выпрямителей. Одной из последних разработок является релейно - импульсная система с табличными алгоритмами переключения (РИСТ). Функциональная схема активного выпрямителя, построенного по такой системе приведена на рис.8.

РИСТ обладает следующими преимуществами перед системами векторного управления:

^ лучшие динамические характеристики, более быстрая отработка задающих воздействий (сброса/наброса нагрузки), что достигается за счёт использования релейных регуляторов во внутреннем контуре;

> отсутствие преобразователей во вращающуюся систему координат и обратно, что значительно упрощает практическую реализацию таких систем.

Сеть

иасО-

ЦЬсО-

иссО-

БД

1авс

илвс

Транзисторный мост

ТЛо-ЦЬ

Наблюдатель

N■-N6

"ТГ"

-рСф

дн

ТПАВ

рвыч

БРАВ

и»

&

и*

РН

X

I*

Т

Рм

Рис. 8. Функциональная схема активного выпрямителя, построенного по релейно - импульсной системе с табличными алгоритмами

Принцип действия

N2

N3

1к и, /

X >

\

N6

N5

Рис.9. Положение векторов тока и напряжения на фазовой плоскости

РИСТ иллюстрирует

рис.9., где ^ и 1| ■ положение векторов тока и напряжения сети в момент времени ^ ф - угол между векторами тока и напряжения, N1 - N6 - сектора фазовой плоскости.

С учетом того, что нагрузка для АВ представляет собой электродвигатель, нелинейная нагрузка будет носить активно-индуктивный характер, с запаздыванием вектора

тока.

ж

Угол рассогласования векторов <р несет в себе информацию о реактивной составляющей мощности, отдаваемой в сеть, и задача РИСТ заключается в поддержании ф=0. Реализация этого алгоритма работы заключается в посекторном отслеживании вектора напряжения и в каждый дискретный момент времени I и формировании «открывающих» импульсов на ключах транзисторного моста таким образом, чтобы вектор 11+1 в следующий момент времени был «опережающим». Подобным образом осуществляется последовательное уменьшение ср до границ зоны нечувствительности релейного регулятора реактивной мощности. Таблица переключений (табл.2), в которой реализован данный алгоритм работы РИСТ, представлена ниже.

В таблице 2 обозначены: игиб - сформированные векторы управления для транзисторного моста, и0 и и7 - нулевые векторы управления (подразумевают открытие соответственно катодной и анодной группы транзисторов), р и q - управляющие импульсы, получаемые с выхода релейных регуляторов; р=1 указывает на необходимость увеличения активной составляющей мощности, ц=1 - на не-

1!,В; 1,А зооП-.'.™

-300 А

-4-..........

2,06 и,В

2,07

2,08

2,09

и

2,1 1,А

Рис. 10. а) Кривые напряжения и тока при имитационном моделировании

б) Кривые напряжения и тока при физическом моделировании для векторного закона управления

обходимость регулирования реактивной составляющей.

Разработана имитационная модель системы

Таблица 2 Опережающий алгоритм работы РИСТ

РИСТ. Результаты моделирования для электропривода мощностью 0,75 кВт представлены на рис. 10а и рис.11. Данные, полученные с физической модели (макета электропривода) представлены на рис. 106.

На рис. 11. представлены графики потребления активной и реактиной мощности из сети при работе РИСТ. Незначительные колебания активной и реактивной составляющих полной мощности связаны с работой релейных регуляторов. Р, Вт; вар

р я Векторы напряжения при N

1 2 3 4 5 6

1 0 и, и2 и3 и4 и5 и6

1 и6 и, и2 и3 и4 и5

0 0 и7 и„ и 7 и0 и7 и0

1 и6 и, и2 и3 и4 и5

Рис. 11. Кривые потребления актвиной и реактивной мощности при имитационном моделировании

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится научно-обоснованное решение актуальной научно-технической задачи создания перспективных струк-

туры и алгоритмов управления частотно-регулируемого привода для горных машин и обеспечения его электромагнитной совместимости с питающей сетью.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1.Мультиструктурная система управления обеспечивает оптимизацию работы горной машины во всех режимах. Использование системы ПУМ в качестве локального регулятора скорости и момента, а РИСТ в качестве локального регулятора потребляемой мощности представляется наиболее целесообразным

2. Сравнение систем ПУМ и ВУ для выявления наилучшего локального регулятора показало преимущество ПУМ для условий резко-переменной динамической нагрузки за счет высокого быстродействия в контуре тока.

3.Использование активного выпрямителя обеспечивает по данным моделирования коэффициент мощности, близкий к единице, и искажение кривой тока сети < 5%

4. Экспериментальные исследования на физической модели, включающем преобразователь частоты с активным выпрямителем и нагрузочное устройство, показали удовлетворительное совпадение с имитационной моделью

5.Выработаны рекомендации по структуре и алгоритму управления приводом переменного тока для горных машин с тяжелыми условиями эксплуатации

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Иванов A.C. Энергетический подход при оценке качества приводов горных машин / C.J1. Иванов, М.А. Семенов, A.C. Иванов // Материалы Международной научно-технической конференции -Орел, 2003. С. 84-89.

2. Иванов A.C. Структура электромеханической части и синтез алгоритма управления движением шагающей машины для глубоководных исследований // Записки Горного института / РИЦ СПГГИ (ТУ). СПб, 2004. Т. 1(159). С. 120-123.

3. Иванов A.C. Идентификация координат асинхронного без-датчикового электропривода //Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов

«XXII Неделя науки СПбГПУ». - Ч. V., СПб., СПбГПУ, 2005. С. 130132.

4. Иванов A.C. Интеллектуальные алгоритмы управления электроприводом на основе искусственных нейронных сетей / А.Е. Козярук, A.C. Иванов // Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «XXIV Неделя науки СПбГПУ». - Ч. V., СПб., СПбГПУ, 2005. С. 83-85.

5. Иванов A.C. Структура и математическая модель асинхронного электропривода без датчиков основных координат / А.Е. Козярук // Записки Горного института / РИЦ СПГТИ (ТУ). СПб., 2007. Т. 1(170). С. 50-53.

6. Иванов A.C. Разработка структуры и алгоритма управления приводом эскалатора с наблюдателем основных координат // Записки Горного института / РИЦ СПГГИ (ТУ). СПб., 2007. Т. 1(173). С. 8083.

7. Ivanov A. Working out of structure and algorithm of management of the drive of the escalator with the observer of the basic coordinates // Материалы Восьмого Международного форума студентов, аспирантов и молодых ученых, материалы конференции - ДВГТУ 2008 г.. С. 168-170.

8. Ivanov A. Die Entwicklung von Struktur und Algorithmus der Antriebsteuerung von Rolltreppe mit dem Beobachter der Hauptkoordinaten // Innovations in Geoscience, Geoengineering and Metallurgy Freiberger Forschungsforum 59. Berg-und Hüttenmännischer Tag 2008 - Technische Universität bergakademie Freiberg. S. 67-70.

9. Иванов A.C. Структура и алгоритмы управления электроприводом переменного тока экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика №10, 2009. С. 23-26.

10. Ivanov A. Das multistrukturelle Steuersystem für elektrische Antriebe des Einschaufeibaggers, Freiberger Forschungsforum 60. Berg-und Hüttenmännischer Tag 2009 - Technische Universität bergakademie FreibergS. 115-119.

" l. ' —

РИЦСПГГИ. 19.07.2010. 3.454 T.lOO экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Введение.

Глава 1: Структура и принципы управления электроприводом для горных машин на примере экскаваторного привода.

1.1 Электротехнические комплексы экскаваторов.

1.2 Состав электротехнического комплекса.

1.3 Технические требования, предъявляемые к электрооборудованию экскаватора.

1.4. Электроприводы главных механизмов.

1.4.1 Виды электроприводов, применяемых для главных механизмов экскаваторов.

1.4.2 Электропривод постоянного тока системы Г-Д.

1.4.3 Электропривод постоянного тока системы ТП-Д.

1.4.4 Регулируемый электропривод переменного тока системы ПЧ-АД

Выводы к главе

Глава 2: Мультиструктурные системы управления сложными технологическими объектами.

2.1. Понятие систем с переменной структурой.

2.2. Общие методы анализа систем управления с переменной структурой.

2.2.1. Метод фазового пространства.

2.2.2. Типы движения в системах с переменной структурой.

2.3. Структура и алгоритмы работы МСУ на примере электропривода экскаватора.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Проблема качества электроэнергии при использовании в электроприводе полупроводниковых коммутаторов и методы обеспечения качества за счет использования активных выпрямителей.

3.1. Современное состояние и научные проблемы электромагнитной совместимости в сетях горнодобывающей промышленности.

3.2. Силовые полупроводниковые преобразователи.

3.3. Активные преобразователями частоты в системах электропривода переменного тока.

3.3.1 Структура и основные принципы функционирования активного выпрямителя напряжения.

3.3.2 Системы управления активным выпрямителем напряжения.

3.3.3 Векторная САР активного выпрямителя напряжения.

3.4. Альтернативные системы управления активным выпрямителем напряжения.

3.4.1. Прогнозирующее релейно-векторное управление.

3.4.2. Релейно-импульсные системы управления активным выпрямителем напряжения с табличными алгоритмами переключения.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Имитационное моделирование электропривода горных машин на примере привода экскаватора.

4.1. Описание имитационной модели.

4.2. Описание и работа виртуального стенда по исследованию систем управления электроприводом.

4.3 Имитационное моделирование активного выпрямителя напряжения

4.4. Принципы и алгоритмы оценки координат асинхронного двигателя для «бездатчиковых» систем наблюдения.

4.4.1. Наблюдатель координат неполного порядка.

4.4.2. Наблюдатель координат полного порядка.

Выводы к главе 4.

Глава 5. Лабораторный макет электропривода с преобразователем частоты с активным выпрямителем.

5.1. Описание стендовой модели.

5.2. Общие сведения о ПЧ Vacon CXS.

5.3. Работа экспериментальной модели в различных режимах.

Выводы к главе 5.

Актуальность работы. Важной системной особенностью современного технологического оборудования (в т.ч. горного оборудования), является необходимость последовательного обеспечения нескольких задач управления, возникающих по мере переключения режимов его работы. Переключение режимов работы должно осуществляться при достижении определенных состояний (скорости, мощности, момента) привода и внешней среды с учетом командных сигналов с пульта управления.

Электроприводы гонных машин работают в тяжелых условиях эксплуатации, для которых характерным является один или несколько следующих особенностей: интенсивный повторно-кратковременный режим работы, резко изменяющийся момент нагрузки на валу двигателя и влияние на характер нагрузки случайных факторов, возникающий из-за неопределенности условий работы горной машины. Наиболее полно все перечисленные требования предъявляются к электроприводам главных механизмов одноковшовых экскаваторов [21, 25], поэтому они и были выбраны в качестве объекта управления в данной работе. Современные экскаваторы с большим объемом ковша преимущественно оснащаются регулируемыми электроприводами. Регулируемые приводы способствуют повышению надежности механизмов, обеспечению плавности пуска, способствуют экономии электроэнергии и повышению производительности экскаваторов. Однако современным частотно-регулируемым асинхронным электроприводам, создаваемым в подавляющем большинстве по системе неуправляемый выпрямитель — автономный инвертор напряжения, присущи недостатки, связанные с невозможностью реализации рекуперативных режимов, а также невысоким уровнем электромагнитной совместимости с питающей сетью, что обусловлено нелинейной нагрузкой управляемого электропривода.

Многорежимный характер работы горной машины вызывает необходимость построения таких систем управления, которые обеспечивали бы требуемые критерии оптимальности для всех режимов работы электропривода. От того, насколько успешно выполняются все локальные требования, зависит качество управляемого процесса в целом, поэтому системы с фиксированной структурой, настраевыемые по некоторому обобщенному критерию, обычно не обеспечивают каждому из режимов наилучшего качества управления.

Разработка же переменной структуры управления частотно-регулируемым приводом горных машин и локальных алгоритмов для ее эффективного функционирования ведет к повышению эксплуатационной надежности и энергоэффективности регулируемых электроприводов переменного тока.

В основу выполненных исследований легли работы Браславского И.Я., Демирчяна К.С., Дроздова В.Н., Емельянова А.П., Ефимова A.A. Жежеленко И.В., Микитченко А .Я., Пронина М.В., Рудакова В.В., Чаплыгина Е.Е., Шидловского А.К., Шрейнера Р.Т. и др.

Цель работы: разработка структуры и алгоритмов управления частотно регулируемым приводом горных машин, обеспечивающих электромагнитную совместимость привода с питающей сетью и снижения его энергопотребления за технологический цикл.

Для реализации поставленной цели были решены следующие основные задачи исследования:

Проведен анализ и дана оценка основных типов бездатчиковых систем с учетом различных режимов работы и нагрузки.

Разработан алгоритм управления электроприводом с учетом информации от бездатчиковой системы диагностики и адаптивного наблюдателя.

Создан экспериментальный макет электропривода с активным выпрямителем и исследованы режимы работы конкретных типов механизмов экскаватора типа ЭКГ.

Разработана математическая модель электропривода и отработаны алгоритмы его управления.

Сформирована мультиструктурная система управления электроприводом на базе разработанных алгоритмов управления.

Идея работы. Эффективная работа электропривода переменного тока горных машин в каждом режиме и качества электроэнергии средствами электропривода достигается использованием мультиструктурной системы управления бездатчиковым частотно-регулируемым приводом и выпрямителем с активным передним фронтом, что обеспечивает оптимизацию режима работы по принимаемым критериям.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы методы теории обобщенной электрической машины и микропроцессорных систем управления, математического моделирования динамических процессов в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями при реализации различных алгоритмов управления в среде МаЛаЬ.

Научная новизна работы:

Установлена нелинейная зависимость влияния закона управления частотно-регулируемым электроприводом на его быстродействие в контуре тока (момента).

Установлена степень влияния режима работы силовых ключей активного выпрямителя с релейно-импульсной системой управления на уровень потребления активной мощности электроприводом экскаватора.

Защищаемые научные положения:

1. Для оптимизации режимов работы электропривода горных машин по выбранному критерию (быстродействие, стабилизация скорости, мощности, ограничение тока или момента) в каждом режиме работы машины или механизма, следует использовать переменную структуру системы регулирования с реализацией локальных алгоритмов обеспечения эффективной работы электропривода в двигательном и тормозном режимах и электромагнитной совместимости в части качества электрической энергии.

2. Обеспечение электромагнитной совместимости с питающей сетью в требуемых нормами значениях и повышение качества электрической энергии целесообразно на базе использования в электроприводе переменного тока горных машин выпрямителей с передним активным фронтом.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на удовлетворительной сходимости результатов математического моделирования и экспериментальных исследований. Они подтверждаются результатами исследований других авторов.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке эффективных локальных алгоритмов мультиструктурной системы управления электроприводами для характерных условий горных машин таблицы переключений силовых ключей для релейно-импульсной системы управления активным выпрямителем.

Личный вклад автора. Разработаны алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом в режимах стабилизации момента и потребляемой мощности. Разработана математическая модель асинхронного электропривода с адаптивным наблюдателем основных координат электропривода. Создан и исследован макетный образец с активным выпрямителем.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2004, 2006, 2007 и 2008 гг. в СПГГИ (ТУ); политехническом симпозиуме: «Молодые ученые промышленности Северо-западного региона» в 2006 и 2007 г; в ДВГТУ на восьмом международном форуме студентов, аспирантов и молодых ученых в 2008 г; на международной Фрайбергской горной конференции Berg-und Hüttenmännischer Tag 2008 и 2009 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в том числе в 4 научных изданиях, включенных в «Перечень ВАК.».

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Мультиструктурная система управления обеспечивает оптимизацию работы горной машины во всех режимах. Использование системы ПУМ в качестве локального регулятора скорости и момента, а РИСТ в качестве локального регулятора потребляемой мощности представляется наиболее целесообразным

2. Сравнение систем ПУМ и ВУ для выявления наилучшего локального регулятора показало преимущество ПУМ для условий резкопеременной динамической нагрузки за счет высокого быстродействия в контуре тока.

3. Использование активного выпрямителя обеспечивает по данным моделирования коэффициент мощности, близкий к единице, и искажение кривой тока сети < 5%

4. Экспериментальные исследования на физической модели, включающем преобразователь частоты с активным выпрямителем и нагрузочное устройство, показали удовлетворительное совпадение с имитационной моделью

5. Выработаны рекомендации по структуре и алгоритму управления приводом переменного тока для горных машин с тяжелыми условиями эксплуатации.

6. По результатам исследований была подана заявка на патент РФ под названием «Устройство автоматического управления электроприводом переменного тока при питании от источника ограниченной мощности», per. № 2010119989/07 от 18.05.2010.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится научно-обоснованное решение актуальной научно-технической задачи создания перспективных структуры и алгоритмов управления частотно-регулируемого привода для горных машин и обеспечения его электромагнитной совместимости с питающей сетью.

1. A.c. № 1671801 СССР, МКИ Е 02 F 9/20. Способ управления многосвязными электромеханическими системами/ Кочетков В.П., Сидоренко K.M., Антропов JI.A., Полузадов В.Н. Опубл. 1991. БИ №31.

2. Абрамов Б.И., Портной Т.З. Направления совершенствования электрооборудования одноковшовых экскаваторов// Электротехника. 2000. №1.

3. Агунов A.B. Улучшение электромагнитной совместимости в автономных электроэнергетических системах ограниченной мощности методом активной фильтрации напряжения. // Электротехника, №6, 2003, 52-56.

4. Алексеев В.В., Козярук А.Е., Загривный Э.А. Электрические машины. Моделирование электрических машин приводов горного оборудования. СПГГИ. СПб, 2006.

5. Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления: учебник для ВУЗов. 2-е изд., доп. М.: Высшая школа, 1998.

6. Бесекерский В.А., Попов В.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука. 1975.

7. Буль Ю. Я., Симонов Ю. Б. Выбор параметров тиристорных возбудителей для электроприводов экскаваторных механизмов. М.: Электричество, 1976, № 11.

8. В. И. Ключев Автоматизированный электропривод. М. : Энергия, 1980. 408 с.

9. Вершинин В.И., Загривный Э.А., Козярук А.Е. Электромагнитная и электромеханическая совместимость в электротехнических системах с полупроводниковыми преобразователями // СПб: изд-во СПГГИ(ТУ), 2000. 68 с.

10. Волков A.B. Анализ электромагнитных процессов и совершенствование регулирования активного фильтра // Электротехника, №12, 2002.

11. Гамазин С. И., Пупин В. М., Марков Ю. В. Обеспечение надежности электроснабжения и качества электроэнергии. Промышленная энергетика №11. 2006.

12. Геворкян В. М., Трошин П. В. Сравнение методов оценки фактического вклада субъектов электрических сетей в ухудшение качества электрической энергии. Промышленная энергетика №7. 2008.

13. ГОСТ 30067-93. Экскаваторы одноковшовые универсальные полноповоротные. Общие технические условия/ ИНК Издательство стандартов 1998.

14. Домбровский Н.Г. Экскаваторы. М . : Машиностроение, 1969.

15. Дыда A.A., Маркин В.Е. Адаптивная система управления с переменной структурой. Решение ФИПС от 04.03.2003 о выдаче патента на изобретение по заявке 2001220496/09 от 23.07.2001.

16. Ефимов A.A., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока. / Под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Р.Т. Шрейнера. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. -250 с.

17. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск: НГТУ, 2000. 4.2. 197 с.

18. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск: НГТУ, 2001. 4.1. 198 с.

19. Зиновьев Г.С. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники (электроэнергетический аспект). Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998. - 90 с.

20. И.Л.Беркман, А.В.Раннев, Ф.К.Рейш. Универсальные одноковшовые строительные экскаваторы// М.: Высшая школа, 1977

21. Иванов A.C. Структура и алгоритмы управления электроприводом переменного тока экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика №10, 2009. С. 23-26.

22. Иванов A.C. Структура и математическая модель асинхронного электропривода без датчиков основных координат / А.Е. Козярук // Записки Горного института / РИЦ СПГГИ (ТУ). СПб., 2007. Т. 1(170). С. 50-53.

23. Карасев А. В., Смирнов В. М. Некоторые особенности управления трехфазным выпрямителем с коррекцией коэффициента мощности// РИЦ ГОУВПО МРГУ, Саранск 2004.

24. Ключев В.И. Разработка и исследование экскаваторных электроприводов// Электротехника. 1995. № 10.

25. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Прямое управление моментом в электроприводе переменного тока машин и механизмов горного производства. СБГГИ(ТУ), СПб, 2008.

26. Козярук А.Е., Черемушкина М.С. Структура и алгоритмы управления и автоматизации при использовании мощных электромеханических комплексов с полупроводниковыми преобразователями// Записки горного института, №177. 2008.

27. Кондратьев Д.Е., Обухов С.Г. Прямое управление мгновенной мощностью трёхфазных AC-DC преобразователей с коррекцией коэффициента мощности //Практическая силовая электроника. 2008 -№29.

28. Красовский A.A. Динамика непрерывных самонастраивающихся систем. М.: Физматгиз, 1963. -485 с.

29. Лотоцкий К. В. Электрические машины и основы электропривода. М., 1964г.

30. Микитченко А. Я. Проблемы регулируемого электропривода в экскаваторах // Сборник трудов IV Международной Всероссийской конференции. Магнитогорск. 2004.

31. Мительман М.В., Мирошкин П.П. Совершенствование электроприводов экскаваторов. -М.: Недра, 1987.

32. Моисеев H.H. Элементы теории оптимальных систем. М.: Наука, 1975. 528 с.

33. Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е., Кондратьев Д.Е. Широтно-импульсная модуляция в трёхфазных инверторах напряжения //Электричество. 2008. - №7.

34. Павлов A.A. Синтез релейных систем, оптимальных по быстродействию. Метод фазового пространства. М: Наука, 1966 392 с.

35. Подэрин Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых горных работ//М.: Недра, 1985.

36. Поздеев А. Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах. Чебоксары: ИЧУ. 1998.

37. Портной Т.З., Парфенов Б.М., Коган А.И. Современное состояние и направления развития электротехнических комплексов одноковшовых экскаваторов. Изд. «Знак». Отпечатано в ОАО «Электропривод». 2002.

38. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Терещенков В.В. Управление многотактным активным выпрямителем экскаватора ЭКГ-35К// Горное оборудование и электротехника. 2009. № 10.

39. Расстриналин JI.A. Системы экстремального управления. М. .-Наука, 1974.

40. Рейнгольд Ю.Р. Новые разработки для модернизации электроприводов мощных экскаваторов// Электротехника. 2001. №1.

41. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением/ JL: Энергоатомиздат, 1987, 136 с.

42. Сатовский Б.К, Ярцев Г.М., Полещук П.И., Цветков В.Н., Ясенев Д.А. Современные карьерные экскаваторы. М.: Недра, 1971.

43. Сычев Ю.А. Активные системы коррекции формы кривых тока и напряжения в сетях нефтепромыслов/ Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб: РИЦ СПГГИ( ТУ). 2010.

44. Теория систем с переменной структурой. Под ред. Емельянова С. В. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1970 592 с.

45. Уткин В.И. Системы с переменной структурой: состояние, проблемы и перспективы// Автоматика и телемеханика. 1983. № 9.

46. Шидловский C.B. Автоматическое управление. Перестраиваемые структуры. Томск, 2006., 288 с.

47. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование приводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН 2000. 654 с.

48. Шрейнер Р.Т., Ефимов A.A. Активный фильтр как новый элемент энергосберегающих систем электропривода // Электричество, №3, 2000.

49. Шрейнер Р.Т., Ефимов A.A., Зиновьев Г.С. Прогнозирующее релейно-векторное управление активным выпрямителем напряжения // Электротехника, №12, 2001.

50. Шрейнер Р.Т., Ефимов A.A., Мухаматшин H.A. Релейное управление активным токовым преобразователем частоты// Электротехника. 2005. №9.

51. Blaschke F. Das prinzipder feldorientierung, die yrundlagefürdie transvektor-regelung von asynchronmaschienen // Siemens-Zeitschrift, 1971.

52. DeCarlo R., Zak S. and Matthews G. Variable Structure Control of Nonlinear Multivariable Systems: A Tutorial, Proceedings of the IEEE, VOL. 76, № 3, March 1988.

53. Dwyer T.A.W., Sira-Ramirez H., Monaco S., StomeUi S. Variable-structure Control of Globally Feedback Decoupled Deformable Vehicle Maneuvers. Proc. Of27-thCDC,pp. 1281-1287, 1987.

54. Huber L., Borojevic D., Space Vector Modulated Three-phase to Three-phase Matrix Converter with Input Power Factor Correction// IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 31, № 6, 1995.

55. Ivanov A. Das multistrukturelle Steuersystem fur elektrische Antriebe des Einschaufeibaggers, Freiberger Forschungsforum 60. Berg-und Hüttenmännischer Tag 2009 Technische Universität bergakademie Freiberg S. 115-119.

56. Rong-Jie Tu, Chern-Lin Chen. A New Three-phase Space-Vector-Modulated Power Factor Corrector// IEEE APEC'94Conference Proceeding, 1994.

57. Wu-Chung S., Drakunov S.V., Ozguner U. Constructing discontinuity surfaces for variable structure systems // Automatica. 6, 1996.

58. Xing Huo Yu,Jian-Xin Xu. Variable structure systems: towards the 21st century. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2002.

59. Xinghuo Yu, Jian-Xin Xu. Advances in variable structure systems. Australia: Gold Coast, 2000.

60. Zimmer D. Equation-Based Modeling of VariableSystems. Swiss Federal Institute of Technology, Zurich. 2010.