автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование электропривода карьерного экскаватора по системе "тиристорный непосредственный ПЧ - двухфазный АД"

НаТіравах рукописи.,.

БЕЗГИН АЛЕКСЕИ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА КАРЬЕРНОГО ЭКСКАВАТОРА ПО СИСТЕМЕ «ТИРИСТОРНЫЙ НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПЧ - ДВУХФАЗНЫЙ АД»

Специальность 05.09.03 -Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

005538925

Оренбург-2013

005538925

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Научные руководители:

Доктор технических наук, профессор, МИКИТЧЕНКО Анатолий Яковлевич

Кандидат технических наук, доцент, ГРЕКОВ Эдуард Леонидович

Официальные оппоненты: САРВАРОВ Анвар Сабулханович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова", зав. кафедрой "Автоматизированный электропривод и мехатроника"

БЛАГОДАРОВ Дмитрий Анатольевич кандидат технических наук, доцент

ФГБОУ ВПО "Национальный исследовательский университет "МЭИ", доцент кафедры "Автоматизированный электропривод"

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО "Уральский государственный горный

университет", г. Екатеринбург.

Защита состоится «13» декабря 2013 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, ауд. 227.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, Ученый совет МГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МГТУ», автореферат размещен на сайте http://www.magtu.ru

Автореферат разослан «12» ноября 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.111.04

кандидат технических наук, доцент

С

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из самой распространенной в России является открытая технология добычи полезных ископаемых. Основным средством выемочно-погрузочных работ является экскаватор.

Наиболее распространенной машиной среди экскаваторов с механическим оборудованием прямой лопатой, применяющейся в основном для добычи строительных материалов (щебенка, песок и т.д.), является экскаватор ЭКГ-4,6 и его модификация ЭКГ-5. На горно-обогатительных комбинатах (ГОКах) наиболее массовой машиной является ЭКГ-8И. Среди вскрышных экскаваторов драглайнов распространенными являются машины ЭШ-6/45 и ЭШ-10/70.

На сегодняшний день самой распространенной системой электропривода (ЭП) основных механизмов на работающих экскаваторах остается система «Генератор - Двигатель» (Г-Д). Большинство таких экскаваторов работают с сверхнормативными сроками эксплуатации. При неизбежной модернизации или капитальных ремонтах возникает вопрос об альтернативе замены электротехнического оборудования главных приводов с морально устаревшей системы Г-Д на другую. Целями модернизации являются прежде всего повышение коэффициента полезного действия (КПД) (система Г-Д имеет КПД около 81 % в номинальном режиме) и надежности. В качестве вариантов систем ЭП на сегодняшний день предлагаются системы «тиристорный преобразователь-двигатель постоянного тока» (ТП-Д) и «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ -АД). Первый вариант является оптимальным по энергетическим и динамическим параметрам при модернизации экскаваторного парка, так как требует минимум капитальных затрат. Однако наличие щеточно-коллекторного узла уменьшает надежность ЭП. Аварийный режим опрокидывания инвертора может создавать недопустимые динамические удары в кинематических цепях.

Более перспективным направлением модернизации экскаваторного электрооборудования является разработка ЭП переменного тока. Несмотря на множество работ, посвященных данной тематике, количество реальных внедрений в производство незначительно. В 1990 г на разрезе "Сафроновский" АО "Востсибуголь" был пушен в эксплуатацию ЭШ 20.90 №39 с системой НПЧ находящейся в эксплуатации по настоящее время. Единственный на 2012г. запущенный в промышленную эксплуатацию на Краснобродском угольном разрезе, экскаватор ЭКГ-32Р по системе автономный инвертор напряжения (АИН) АИН-АД производства "ИЗ-картекс". Внедрение систем ПЧ-АД затрудняет практически полное отсутствие электродвигателей экскаваторного исполнения отечественного производства.

Большинство выпускаемых преобразователей выполнены на базе АИН. Такие ПЧ имеют ряд недостатков. Это, прежде всего наличие в системе батареи конденсаторов большой емкости, большая установленная мощность системы. Проблема рекуперации электрической энергии решается применением активных выпрямителей, что, влечет за собой дополнительное увеличение габаритов ЭП и уменьшение КПД.

Тиристорные непосредственные преобразователи частоты (ТНПЧ) отли-

чаются от транзисторных АИН прежде всего беспрепятственным обменом энергией между сетью и нагрузкой, что не требует специальных устройств рекуперации, отсутствием значительных по емкости конденсаторов и большим КПД вследствие меньшего падения напряжения на силовых ключах и меньшими потерями их переключения. Опрокидывание инвертора, как показывают исследования (Кадыров И.Ш. и др.), в этих ЭП оказывает значительно меньшее влияние на механику экскаватора, чем система ТП-Д.

В то же время большие, чем в системе ТП-Д, габариты силовой части ЭП создают проблему с размещением оборудования при модернизации экскаваторов с объемом ковша до 5м3, так как размеры машинного отделения небольшие. Применение же двухфазного АД (2фАД) совместно с двухфазным ти-ристорным НПЧ (ТНПЧ) позволяет решить эту проблему. В работах Беспалова В.Я., Качалиной Е.В. показана возможность проектирования двухфазных АД для экскаваторных электроприводов, не уступающих по энергетическим показателям двигателям с традиционной трехфазной обмоткой.

Применение в качестве силовых ключей тиристоров, с одной стороны увеличивает надежность ПЧ (большая, чем у транзисторов, перегрузочная способность). С другой стороны известный недостаток, такой как ограниченный сверху диапазон регулирования частоты выходного напряжения, не способствуют широкому распространению данного типа ПЧ.

Известны работы Ключева В.И., Микитченко А.Я, Благодарова Д.А., Грекова Э.Л. и др., посвященные разработке и исследованию экскаваторного электропривода на базе ТНПЧ, в которых использовалась частотно-токовая система управления В то же время векторные системы частотно-регулируемого электропривода позволяют получить наибольшее быстродействие и точность ограничения максимально допустимого момента при резком стопорении в режиме копания. Однако такой вид систем применительно к ТНПЧ ранее не исследовались.

На сегодняшний момент дальнейшая перспектива развития ЭП также заключается в разработке микропроцессорных систем управления, позволяющих добиться большей унификации, точности работы и защиты.

Актуальность работы заключается в разработке и исследовании электропривода подъема карьерного экскаватора ЭКГ-5 по системе ТНПЧ-2фАД, с микропроцессорным векторным регулированием.

Целью диссертационной работы является разработка частотно-регулируемого ЭП подъема карьерного экскаватора ЭКГ-5 при его модернизации, работающего в интенсивном повторно-кратковременном режиме с частыми перегрузками вплоть до стопорения, и обеспечивающего повышение производительности и энергосбережение.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Разработка и исследование модели ЭП подъема с векторной системой управления (ВСУ) ТНПЧ при ориентации по потокосцеплению ротора с учетом питания АД от ТП и дискретного управления по времени, а также требований к экскаваторному ЭП. Проверка ее адекватности в статических и динамических режимах.

2. Разработка способа формирования управляющих сигналов тиристор-ных реверсивных преобразователей с раздельным управлением, обеспечивающего необходимый фазовый сдвиг между напряжением и током обмоток статора в различных режимах работы ЭП с ВСУ.

3. Определение требуемого закона управления потокосцеплением ротора во второй зоне регулирования при спуске пустого ковша с целью достижения максимально возможной перегрузочной способности.

4. Разработка структурной схемы ВСУ ЭП с ТНПЧ, обеспечивающей уменьшение колебаний момента двигателя при формировании выходных частот выше 25 Гц.

5. Сравнительный анализ энергетических показателей систем ЭП переменного и постоянного тока механизма подъема экскаватора ЭКГ-5, построенных на базе тиристорных преобразователей.

6. Разработка макетного образца системы ТНПЧ-2фАД мощностью 200 кВт, предназначенного для модернизации ЭП подъема ЭКГ-5. Проведение экспериментальных исследований для проверки и подтверждения основных положений работы.

Методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, теории электропривода, теории автоматического управления, компьютерного моделирования в программном пакете Ма^аЬ/БтиНпк и физического макетирования.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается результатами компьютерного моделирования и результатами экспериментальных исследований на физическом макетном образце.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Структура цифровой векторной системы управления ТНПЧ ЭП подъема экскаватора ЭКГ-5, отличающаяся новым алгоритмом системы импульсно-фазового управления, способом формирования задания управления тиристор-ным преобразователем.

2. Методика определения требуемого закона изменения потокосцепле-ния ротора во второй зоне регулирования при спуске пустого ковша, обеспечивающего максимально возможный перегрузочный момент, с учетом ограничения тока статора, и уменьшения эффективного значения первой гармоники выходного напряжения ТНПЧ с ростом ее частоты.

3. Способ компенсации отставания вектора тока статора от расчетного положения в ВСУ, обеспечивающий повышение устойчивости ЭП при работе на частотах выше 25 Гц, заключающийся в измерении временного сдвига между изменениями полярности задания на переключение реверсивных групп ТП и тока статора.

4. Схемотехнические решения и программная реализация алгоритмов управления векторной системы электропривода с ТНПЧ, физический макетный образец мощностью 200 кВт, предназначенный для модернизации привода подъема ЭКГ-5, и результаты экспериментальных исследований.

Научная новизна В диссертационной работе получены следующие ос-

новные научные результаты:

1. Разработана компьютерная модель ЭП подъема экскаватора ЭКГ-5, в которой реализованы новые способы формирования задания на потокосцепле-ние статора, заданий управления ТП и компенсации отставания тока статора от задающего сигнала, алгоритмы реального программного обеспечения управляющих контроллеров блока управления ТНПЧ, позволяющая исследовать статические и динамические процессы и энергетические показатели ЭП.

2. Предложена методика определения требуемого закона изменения по-токосцепления ротора на основе расчета необходимого напряжения на статоре двигателя в зависимости от статического момента и частоты выходного напряжения ПЧ, обеспечивающего максимальный возможный перегрузочный момент, и позволяющий исключить насыщение регуляторов ВСУ при работе во второй зоне регулирования.

3. Разработан способ компенсации отставания тока статора от задающего сигнала по времени задержки переключения реверсивных групп тиристоров, обеспечивающей уменьшение до 15% колебания момента АД при работе на частотах выше 25 Гц.

4. Разработан способ синхронизации цифровой системы управления с питающей сетью, обеспечивающий помехоустойчивую работу системы им-пульсно-фазового управления при значительной до 15 электрических градусов длительности коммутационных провалов питающего напряжения.

5. На основе компьютерного моделирования получены результаты исследования энергетических характеристик экскаваторного электропривода показывающие, что система электропривода ТНПЧ-2фАД в номинальном режиме работы имеет КПД на 8% больше, чем в системе Г-Д, и на 3% больше, чем в системе ТНПЧ-ЗфАД.

Практическая ценность и реализация работы заключается в том, что

1. Разработана методика расчета коэффициентов регуляторов ВСУ с ТНПЧ, учитывающая особенность цифровой системы управления, позволяющая использовать ее при разработке систем управления частотно-регулируемых ЭП на базе 16-ти разрядных микропроцессоров с арифметикой с фиксированной точкой.

2. Разработана методика выбора частот дискретизации ВСУ и параметров отрицательной обратной связи по скорости при применении инкрементального энкодера, в зависимости от разрядности самого датчика.

3. Разработанная компьютерная модель экскаваторного ЭП по системе ТНПЧ-2фАД позволяет выполнять проверочный расчет энергетических показателей по нагрузочной диаграмме и тахограмме с целью минимизации потерь в питающей сети и в трансформаторе путем подбора мощности фильтро-компенсирующего устройства (ФКУ).

4. Результаты диссертационной работы, а именно схемотехнические решения, способ синхронизации СИФУ, настройка цифровых регуляторов, алгоритм пуско-налаДки ВСУ, внедрены в производство ОАО "Рудавтоматика" при проектировании тиристорных низковольтных комплектных устройств ЭП карьерных экскаваторов. Компьютерная модель ЭП с ВСУ ТНПЧ внедрена в учеб-

ный процесс кафедры автоматизированного электропривода и электромеханики Оренбургского государственного университета при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам: «Энергетическая электроника», «Электрический привод» и «Математическое моделирование в электроприводе».

5. Результаты диссертации, а именно методики расчета коэффициентов регуляторов ВСУ, определения параметров обратной связи по скорости и требуемого закона изменения потокосцепления во второй зоне регулирования, были использованы при выполнении научно-технической работы по гранту Оренбургской области на тему: «Разработка промышленного образца управляемого электропривода насосного агрегата на базе энергосберегающего асинхронного двигателя серии АДМ со встроенным преобразователем частоты для нужд системы ЖКХ». Соглашение № 35-г от «03» октября 2012 г.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Всероссийской научно-практической конференции «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (г. Оренбург, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и практики в профессиональном развитии педагога» (г. Оренбург, 2010 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (г. Оренбург, 2010, 2012 г.); VII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г. Чебоксары, 2010 г); V Всероссийская научно-техническая конференция «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (г. Оренбург, 2011 г); X Всероссийская научно-техническая конференция «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (г. Чебоксары, 2013 г);

- на заседаниях кафедры автоматизированного электропривода ФГБОУ ВПО ОГУ, г. Оренбург в 2007-2013г.;

- на заседании кафедры автоматизированного электропривода и ме-хатроники ФГБОУ ВПО МГТУ им. Г. И. Носова, г. Магнитогорск в 2012 и 2013г.;

- на заседаниях научно-технического совета ОАО «Рудоавтоматика», г. Железногорск (Курская область) в 2010-2013г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 10 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве, в том числе 3 статьях в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ. Получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 85 наименований. Работа изложена на 183 страницах основного текста, содержит 103 рисунка, 14 таблиц и 4 приложений общим объемом 29 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражено состояние проблемы, обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования, представлены научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния и перспектив развития парка карьерных электрических экскаваторов. Рассмотрены статические и динамические характеристики основных механизмов экскаватора. Определены требования, предъявляемые к основным ЭП главных механизмов. Проанализированы основные разработки и исследования в области частотно-регулируемых ЭП. Сформулированы цели и задачи теоретического и практического исследований.

Анализ современного парка карьерных экскаваторов показал, что к настоящему времени более 70% экскаваторов имеют сверхнормативный срок службы. Самыми распространенными являются экскаваторы объемом ковша 12-15 м3, второе место занимают машины с объемом ковша 5м3. Таким образом, достаточно большое число экскаваторов нуждаемся или будет нуждаться в ближайшее время в модернизации оборудования.

Наиболее мощным приводом экскаватора с оборудованием прямой лопаты (к таким относится экскаватор ЭКГ-5) является привод подъема, что объясняется необходимостью преодоления значительных усилий резания породы. В то же время, хотя статические моменты (силы трения) механизма поворота составляют незначительную часть, установленная мощность двигателей больше, чем в приводе напора. Это обусловлено значительным моментом инерции поворотных платформ и длительной работой в динамических режимах (разгон и торможение) с моментами, превышающими номинальные.

Основным требованием, предъявляемым к ЭП главных механизмов экскаватора, является ограничение тока и момента, развиваемого электродвигателями, на допустимых значениях (формирование экскаваторных характеристик), зависящих от условий работы и их конструктивных особенностей. Так же немаловажными требованиями являются: возможность рекуперации электроэнергии в сеть; обеспечение необходимой жесткости механической характеристики в нулевом положении командоконтроллера; формирование динамических режимов с максимальными демпфирующими свойствами.

Анализ систем установленных в качестве ЭП основных механизмов одноковшовых карьерных экскаваторов показал, что основными системами являются: система Г - Д, система «тиристорный (транзисторный) преобразователь -двигатель постоянного тока» (Т(р)П - Д). Системы «тиристорный НПЧ - АД» применяются редко, например, впервые применена на макете привода экскаватора ЭШ 6,5-45 научной группой МЭИ под руководством профессора В.И. Ключева.

Исследованию различных систем управления ЭП переменного тока посвящены работы Ключева В.И., Костенко М.П., A.C., Сарбатова P.C., Кудрявцева A.B., Бернштейна А.Я, Уайта Д., Вудсона Г., Копылова И.П., Бродовского В.Н., Фираго Б.И., Микитченко A.Ü., Сарварова A.C., Благодарова Д.А., Греко-

ва Э.Л., Кадырова И.Ш., Баранова Ю.М., Виноградова А.Б. Моххамеда С.А., Могучева М.В., Третьяка Г. А. и других отечественных и зарубежных ученых.

Вторая глава посвящена разработке компьютерной модели (КМ) ЭП подъема экскаватора ЭКГ-5 и исследованию особенностей работы цифровой ВСУ ТНПЧ с 2фАД.

Для КМ и физического макета (ФМ) ЭП подъема был выбран специальный 2фАД типа 2АЭ-200-4УЗ (Р„ =200 кВт; 1"ном = 25Гц , ин =315В, 1н =460А), конструктивно выполненный в корпусе ДПТ ДЭ-816 (Сафоновский электромашиностроительный завод).

КМ имеет следующие допущения: магнитная цепь АД не насыщается; параметры схемы замещения не изменяются при изменении скольжения двигателя, то есть не учитывается эффект вытеснения тока; активные сопротивления приведены к рабочей температуре.

За основу математической модели 2фАД была принята Т-образная схема замещения на основе уравнений равновесия, предложенная в работах Фираго Б.И. В отличие от классической схемы замещения в ветке, соответствующей обмотке ротора, имеется противоЭДС вращения. Данная модель позволяет рассчитывать токи АД при несинусоидальном питании.

В большинстве случаев механизмы могут быть представлены одномас-совой системой. На основе анализа экспериментальных осциллограмм работы ЭП выяснилось, что это также справедливо для механизма подъема ЭКГ-5. Поэтому модель механической части ЭП реализована в виде одной массы. Суммарный момент инерции включает в себя АД, редуктор, ковш с добываемой породой и рукоять.

Структурная схема КМ, разработанной в среде БшиПпк пакета МаИаЬ, изображена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схем КМ

Модель состоит из трех основных блоков: 2фАД с короткозамкнутым ротором с разделенными обмотками; блока ТНПЧ, в который включены: два

реверсивных мостовых трехфазных управляемых выпрямителя, модель питающей сети с трансформатором, система импульсно-фазового управления (СИ-ФУ). ВСУ построена по принципу подчиненного регулирования с двумя каналами управления - потокосцепления и скорости и состоит из: преобразователей координат: ПК1, ПК2, ПКЗ; регуляторов скорости PC, потокосцепления Ру2, момента РМ, тока РТа, РТр; "наблюдателя"; функционального преобразователя (ФП) для задания потокосцепления ротора W2; сигналов обратных связей; двухступенчатого зависимого задатчика интенсивности; цифровых фильтров; блока вычисления по углу поворота вращающихся осей ВСУ 9 значения опорных сигналов "sin" и "cos"; детектора фазового сдвига вектора тока статора АД.

Особенностью данной модели является аналогия с работой алгоритмов программного обеспечения реального блока управления. БУ ТНПЧ содержит два микроконтроллера: один реализует функции СИФУ с частотой тактирования программы Fdl = ЗбкГц; в программном коде второго реализована ВСУ с частотой дискретизации Fd2 = 4.8кГц. КМ является дискретной и рассчитывается с шагом, равным Fdl. Сигналы, поступающие в ВСУ, передаются через "трансмитеры", которые согласовывают основную частоту Fdl с частотой расчета ВСУ Fd2. Построенная таким образом КМ является аналогом двухпроцессорной платы блока управления ЭП (БУ).

Структурная схема наблюдателя приведена на рис. 2, где k2=LmlIJ¿- коэффициент электромагнитной связи ротора; 2

VA'«.

X

наблюдатель

т;р + 1

Рис. 2. Структурная схема наблюдателя потокосцепления ротора и момента

а = \-Ьт1(1лИ{)- коэффициент рассеивания магнитного поля АД; Кх, - активное сопротивление и полная индуктивность статорной цепи;

активное сопротивление ротора и полная индуктивность обмотки ротора, приведенные к статору; Ьт -взаимная индуктивность; а>0эл - синхронная скорость поля статора; со - скорость ротора; рп - число пар полюсов; Мд — электромагнитный момент двигателя.

На рис. 3 показаны экспериментальные и расчетные кривые выходов РМ, Ру2, РТа, РТР, а также тока статора ТНПЧ при реверсе с 20 Гц. Модель достаточно точно отражает процессы, происходящие в системе ЭП ТНПЧ-2фАД.

Разработанная КМ позволяет также рассчитывать энергетические показатели работы ЭП за цикл экскавации.

При исследовании КМ было установлено, что по сравнению с системой ТП-Д, перерегулирование момента двигателя при резком стопорении под нагрузкой с номинальной частоты вращения за 0.5 сек. в системе ТНПЧ-2фАД уменьшается на 27% (3.7 Мн у системы ТП-Д, 2.7Мн у'системы ТНПЧ-2фАД).

В третьей главе исследуется векторная система управления ЭП подъема по системе ТНПЧ-2фАД. Рассматриваются особенности структуры, факторы, влияющие на стабильность работы СУ, определяются граничные параметры

настройки СУ, возможность формирования экскаваторной характеристики. Исследуется вопрос расширения нагрузочной способности ТНПЧ в верхнем диапазоне регулирования выходной частоты выше 25Гц.

0.10.45.2-f!

•5.4"*

•se—

В^теРЫ

ВытеРЬ

Îî

«■........

SwisgPM 04 '

ог

SfflaPl -

iwojpf; :

.^I ■^J.i-% {-lu •

-.v • '•» • •

—0.5 c-

-0? -m" -OS

4/

1000A

a) 6)

Рис. 3. Осциллограммы выходов регуляторов ВСУ и тока статора КМ (а) и ФМ

(б)

Рассматривается особенность применения инкрементных энкодеров, как датчика скорости, в цифровых системах управления экскаваторного ЭП переменного тока с ТНПЧ.

Особенность функционирования реверсивного ТП с раздельным управлением комплектами вентилей требует формирования двух сигналов управления - задание на логическое переключающее устройство (ЛПУ) Uzlog (рис.4), определяющее направление выходного тока, и задание на угол открытия тиристоров Uzalfa, определяющее уровень выходного напряжения. Предлагается формировать эти сигналы векторным способом с помощью двух ПК1 и ПК2, причем задания на ЛПУ рассчитываются на основе проекций вектора тока 11а и lip (выходы Pv|/2 и РМ), a задания на СИФУ - на основе проекций вектора напряжения U]a и U!p (выходы РТа, РТР) (рис.4).

U.

zalfa.A

= UXa - cosвс-и1р -sin<9c;

^zalfa.B = Uia ' s'mdc + Uxp • COS<9c;

Uz\og.A - ha ^zlog.B = ha

■cosdc -I\p -sin^c; ■sin^c + hp - cos6C.

(1)

Векторное разделение сигналов управления ТП бьшо впервые предложено Третьяком Г.А. Однако определение проекций вектора напряжения производилось косвенно, что может вызывать большие погрешности, особенно для АД больших мощностей.

Предложенный способ позволил получить токи статора с максимальным коэффициентом искажения формы во всем диапазоне регулирования (рис. 5).

.1±1.

~Й ЕО

О—"1 » В-»-] 1'Та

-г-

Наблюдатель

г

7

пкз 10«

ПК1 к /*- м^ш

гЧА^

и^ог.

т 1=

X I-

ш

-{дс

АД

Рис. 4. Структура ЭП с ВСУ ТНПЧ

М1. 205 А/дел

...........М1 265 А/дол ;....■■ ■. ... т. 1п

50 тй

............. ................ • ми 120 в/дел иа ........ ....

г * . 1 < 1 1 " С 'и, / г" ''''»'Л' 1 н 1 1 '5<3 гпЭ Г 1 , 1 »1 I И ,1 1 II 1

б)

м'| 530 А/дел |а

, иа

11 ^

ми 120 'в/Дсл Ч,,,,,,,,^ „.,,..,

В) -г)

Осциллограммы тока и напряжения обмотки статора при объединении сигналов управления ТП (а (КМ), в (ФМ)), при векторном способе формирования (б (КМ), г (ФМ))

Рис. 5. Осциллограммы тока и напряжения обмотки статора

Для оценки правильной настройки и работы ВСУ производилось наблюдение за поведением выходных значений РТ, РМ и Ру2. При правильной настройке ВСУ эти регуляторы не должны достигать насыщения. В противном случае положения реальных векторов тока и напряжения не будут соответство-

а) б)

Рис. 6. Семейство поверхностей необходимого уровня напряжения (а); «срез» поверхностей при и1=85%и„ом (б)

вать расчетным векторам ВСУ. Это может привести к неустойчивой работе ЭП и потере управляемости. Были проведены исследования, показывающие, что в случае насыщения регуляторов возможны аварийные режимы работы, когда обратная связь по моменту, рассчитанная в наблюдателе, становится положительной, что вызывает неконтролируемое изменение скорости вращения независимо от изменения задающего сигнала.

Основными причинами насыщения регуляторов являются недостаток напряжения питания для формирования вектора тока двигателя, а также наличие высших и субгармоник тока статора при регулировании частоты напряжения выше 25 Гц. Следовательно, при ограниченном уровне напряжения питания возникает необходимость в двухзонном регулировании, при котором необходимо уменьшать задание на с ростом частоты. Это также актуально при применении специального асинхронного двигателя (2АЭ-200-4УЗ) с номинальной частотой питания 25Гц. При этом работа во второй зоне выше 25Гц для ЭП подъема является техническим требованием. Опускание пустого ковша должно происходить с повышенной скоростью примерно на 40% больше номинального значения.

Для получения максимальной перегрузочной способности следует определить оптимальный закон изменения Ч,2. Уравнения расчета величин проекций вектора напряжения на вращающиеся с частотой поля статора оси а и ß, которые используются при построении ВСУ, ориентированной по

U(M^2) = Jjjla(M, % )f + (и lß{M, ))2;

UJiM,) = aLlMC°0" + (2)

L2 Рп^г^г Lu

crL^O) (ß, + к\К')м =kiPn^2+»+v' ;2; .

12 Pni2T!

На рис. 6 показано семейство поверхностей уровня напряжения, построенных по (2) для частот питающего двигатель напряжения f =[5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 38, 40] Гц, при различных значениях электромагнитного момента двигателя и Wi.

потошмем.™« O.e. потокосцеплеиие О.С.

........1.....©......

................./Ьуёг V 1 у

лз.

((ОТОКОСЦепление

Рис. 7. Зависимость задания ¥г от электрич. скорости АД

Для повышения КПД ЭП необходимо, чтобы ток статора был минимальным, что достигается при номинальном значении ¥2. Однако с ростом частоты ТП не может формировать необходимый уровень напряжения, следовательно необходимо уменьшать значение Более того, как показывает анализ уравнений (2), с ростом момента нагрузки увеличивается и требуемое напряжение.

Для получения необходимого с точки зрения максимума перегрузочной способности с учетом ограничения напряжения закона изменения Рг предлагается на "срезе" поверхностей при значении напряжения 85% от номинального на выходе ПЧ (рис.6) провести линию от точки (№н и 2Мн), 0) до (0, 0).

Точки пересечения этой линии с краями поверхностей определят оптимальные значения 4^2 в зависимости от электрической скорости соэл поля статора, и ограничение момента от соэл. Зависимости, построенные по этим точкам, описывают изменение требуемого задания на при максимально возможном моменте АД (рис. 7, кривая 2). Ограничение РС, задающее уставку максимального момента АД, изменяется по аналогичному закону.

Известно, что при питании двигателя от ТНПЧ форма токов и напряжений далека от идеальной синусоиды. Вследствие этого логично предположить, что из-за наличия высших и субгармоник запас по напряжению сократится. При проведении гармонического анализа выходного напряжения ТНПЧ (рис.8, где показаны зависимости амплитуды 1, 3, 5, 7 гармоник от частоты выходного

Рис. 8. Гармонический состав выходного напряжения ТНПЧ

напряжения) установлено, что в кривой изменения амплитуды первой гармоники можно выделить характерные участки на частотах: 24-25Гц ; 29-ЗОГц; 3638Гц; 43Гц, где ее уровень уменьшается незначительно (до 95%) (кривая 1). Тогда как имеются участки с сильными провалами напряжения: 27.5Гц; 33.5Гц; 38-41Гц. Если рассматривать характер изменения амплитуды первой гармоники в целом, то она уменьшается примерно линейно на 15% при работе до частоты 50Гц (прямая 1'). Поэтому при определении требуемой зависимости задания на

потокосцепление ротора уровень напряжения был принят 85% от номинального значения (рис.7 - кривая 2). Кривая 1 построена с учетом линейной зависимости уровня первой гармоники от частоты и обеспечивает большую перегрузочную способность в области номинальной скорости.

Даже при правильной настройке ФП при увеличении частоты выходного напряжения поведение ВСУ может стать неустойчивым вследствие значительного колебания момента АД. Следовательно, для повышения надежности работы ВСУ и компенсации этих колебаний необходимо контролировать положение реального вектора тока статора. Более того, так как однооперационный тиристор является не полностью управляемым ключом, момент переключения реверсивных групп в ТП всегда отстает по фазе от задания наток. ВСУ приходится компенсировать этот фазовый сдвиг увеличением проекций напряжения (рис.9), что может привести к насыщению РТ и, как следствие, потери управляемости.

0>»И1-

Эвяршшр НУЛЄЙЖ1 іярядо

Рис. 9. Векторная диаграмма ВСУ и структура блока "Детектор"

Без блока «Детектор» і

1000 2000 3000 4000 И-Л*6000

200 400 600

Рис. 10. Механические и электромеханические характеристики ЭП подъема (КМ)

Предлагается рассчитывать этот сдвиг по времени переключения логического переключающего устройства (ЛПУ) и обеспечивать соответствующий сдвиг осей а' и Р' при расчете координат ЭП в наблюдателе. Структурная схема такого блока показана на рис. 9. Временной сдвиг определяется интеграторами с принудительным сбросом, скорость нарастания которых прямо пропорциональна электрической частоте питающего АД напряжения. Далее сигнал рассогласования по фазе вычитается из угла текущего положения осей а и (3 (рис.4).

Проведенные на КМ и ФМ исследования показали, что компенсация отставания реального тока позволяет уменьшить колебания момента двигателя на 15% при работе на частоте 37 Гц и номинальном напряжении питания. На рис. 10 приведены механические и электромеханические характеристики, полученные на КМ, при уровне питающего напряжения 85% от номинального, где видно, что в системе с данной компенсацией при «просадке» напряжения колебания тока и момента в несколько раз меньше.

Предложены рекомендации по выбору оптимальной частоты дискретизации ВСУ, основанной на гармоническом анализе выходного тока ТП и разрядности аналого-цифрового преобразователя (АЦП) цифровой СУ. Показано, что при 10-ти битной разрядности АЦП достаточно учитывать составляющие полезного сигнала до 6-й гармоники включительно (относительно частоты основной гармоники выходного напряжения ТП 300 Гц). Более высшие гармоники имеют амплитуду значительно ниже чувствительности АЦП. Соответственно частота дискретизации ВСУ должна быть больше чем 2-6-300=3600 Гц.

Было также проведено исследование влияния частоты дискретизации контура скорости на динамические характеристики с целью определения оптимального значения. С одной стороны увеличение этой частоты приводит к уменьшению разрядности обратной связи по скорости с использованием инкрементального энкодера, с другой стороны, ее уменьшение увеличивает постоянную времени контура регулирования. Для энкодера с количеством меток 8192 было определено, что оптимальной с точки зрения длительности переходных процессов и перерегулирования является частота дискретизации контура скорости 600 Гц при частоте дискретизации внутренних контуров ВСУ 4800 Гц.

Четвертая глава посвящена разработке физического полноразмерного макета привода ЭП экскаватора ЭКГ-5 и проведению экспериментальных исследований.

Макет состоит из шкафа управления, электромашинного агрегата, состоящего из трех электродвигателей: 2фАД 2АЭ-200-4УЗ и двух двигателей постоянного тока с независимым возбуждением ДЭ816 мощностью по 200 кВт и цифрового блока управления (БУ).

Для увеличения надежности работы ТНПЧ на основе существующих технических решений в ОАО "Рудоавтоматика" был разработан драйвер управления тиристором, формирующий сигнал управления специальной формы. Импульсы управления имеют короткий токовый фронт. В отсутствии сигнала, поступающего с БУ, драйвер формирует на управляющем входе тиристора отрицательное напряжение, что обеспечивает высокую помехозащищенность.

Также с целью повышения надежности разработан алгоритм синхронизации СИФУ, обеспечивающий нечувствительность к коммутационным провалам напряжения длительностью до 15 электрических градусов, отличающийся отсутствием громоздких аналоговых фильтров по цепи синхронизации и работой без использования АЦП. Получен патент на изобретение.

Структурная схема БУ, программное обеспечение которого выполняет функции ВСУ, СИФУ, ЛПУ и защит, показана на рис. 11.

На ФМ были проведены экспериментальные исследования, подтвер-

ждающие адекватность разработанных способов управления и методов настройки параметров ВСУ. На рис. 12 приведены экспериментальные механические характеристики ЭП подъема при работе в двигательном и в тормозном режимах (момент приведен в o.e. номинального для 2фАД значения).

Как видно при частоте 35 Гц перегрузочная способность ЭП составляет около номинального момента. В стопорном режиме ЭП обеспечивает момент, равный 2.5 номинального значения.

Рис. 11. Структурная схема БУ

!| I I

I I

II

ц-

11 -Ü_

Режим торможения *

11

и

11 11

Двигательный режим I

К

-18 -1.0 4 4 -4*

-М'

-1,

I [

Tl

I I

1

Рис. 12. Экспериментальные механические характеристики ЭП подъема

В пятой главе исследованы энергетические характеристики разработанной системы. Произведено сравнение с другими вариантами модернизации привода подъема: ТП-Д и ТНПЧ - трехфазный АД.

Энергетическую эффективность принято оценивать посредством КПД, коэффициента мощности (соБф) и коэффициента искажения формы Ки тока и суммарного коэффициента искажения ТНЭ.

Для учета потерь от высших гармоник исследования проводились с по-

мощью КМ. Были определены среднецикловые значения КПД и сов(ф) для всех трех структур (таблица 1), по известному в литературе усредненному циклу экскавации, длительностью 23 сек. Как видно, коэффициент мощности у ТП-Д самый большой, у систем ТНПЧ больше у двухфазного варианта. Также распределяются и значения КПД. Это объясняется увеличенным по сравнению с ТП-Д количеством силовых преобразователей. Исследования проводились с ФКУ, так и без них.

Коэффициент искажения Ки формы сетевого тока при копании у системы ТНПЧ-2фАД практически равен таковому в системе ТП-Д, у трехфазного варианта ЭП форма токов самая ближе к синусоиде. Это объясняется сложением пульсов тока, не одинаковых по углу управления, во вторичной обмотке трансформатора от трех преобразователей.

Для ЭП с трехфазным ТНПЧ был выбран двигатель типа 4АН355М4 мощностью 400 кВт с синхронной скоростью 1500 об/мин. Завышенная мощность и частота вращения объясняется ограниченным диапазоном регулирования выходной частоты ТНПЧ. При этом для уменьшения уровня реактивной энергии вторичные обмотки силового трансформатора были включены в треугольник. Значения КПД для системы Г-Д было взяты из работы Могучева М.В.

Таблица 1 - КПД, сову, Ки выбранных систем

показатель система

№ обозначение Г-Д ТП-Д ТНПЧ -2ФАД ТНПЧ-ЗФАД АИН-АД

1 КПД при Мн без ФКУ 0.811 0.915 0.885 0.859 0.851

2 КПД при М„ с ФКУ - 0.923 0.89 0.86 -

3 соб^ за цикл экскавации - 0,34 0,225 0,203 -

4 со5<р за цикл экскавации с ФКУ - 0.42 0.34 0.32 -

5 КПД за цикл экскавации - 0,8 0,72 0,705 -

6 КПД за цикл экскавации с ФКУ - 0.81 0.75 0.72 -

7 К/ПШ при копании - 0.963 0.28 0.964 0.275 0.977 0.215 -

8 К„/ТНО при опускании пустого ковша - 0.96 0.292 0.935 0.378 0.959 0.295 -

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, связанная с созданием системы частотно-регулируемого ЭП с целью модернизации ЭП подъема одноковшового экскаватора ЭКГ-5 на базе 2фАД при питании от ТНПЧ с ВСУ. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты и выводы:

1. В среде инженерного проектирования МАТЬАВ с учетом требований к ЭП подъема разработана компьютерная модель, позволяющая рассчитывать переходные процессы системы ЭП с цифровой ВСУ ТНПЧ и 2фАД при ориен-

тации по потокосцеплению ротора, а также оценивать энергетические показатели системы.

2. Предложенный векторный способ разделения заданий на выходное напряжение и направление тока в ТНПЧ позволил улучшить качество формирования тока статора в различных режимах работы ЭП.

3. Предложенная методика определения требуемого закона регулирования 4*2 во второй зоне регулирования для ускоренного спуска пустого ковша позволяет получить максимальную перегрузочную способность с учетом ограничения тока статора и питающего напряжения.

4. Компенсация отставания тока статора от задающего сигнала вследствие особенностей работы ТП с раздельным управлением позволяет уменьшить колебания момента двигателя на 15% при работе на частоте 37 Гц и номинальном напряжении питания, а также обеспечить устойчивость системы при «просадке» питающего напряжения при питании экскаватора от длинных линий карьерных сетей ограниченной мощности.

5. Разработаны силовая схема и блок управления ЭП подъема с ТНПЧ. Изготовлен полномасштабный физический макет, испытания которого подтвердили адекватность КМ и техническую эффективность предложенных способов управления и методик настройки коэффициентов ВСУ.

6. Исследования энергетических показателей ЭП подъема ЭКГ-5 за усредненный цикл экскавации показали, что система ТНПЧ-2фАД имеет КПД на 8% больше, чем в системе Г-Д, и на 3% больше чем в системе ТНПЧ-ЗфАД, и на 3% больше, чем в системе ТНПЧ-ЗфАД. В то же время применение 2фАД позволяет уменьшить весогабаритные показатели ЭП.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Безгин A.C. Способ синхронизации цифровой системы управления группами тиристорных преобразователей. A.C. Безгин, Э.Л. Греков, В.А. Сорокин // Вестник Оренбургского государственного университета.- 2011.- № 4, апрель,- С.158 -161.

2. Безгин A.C. Применение инкрементального энкодера как датчика скорости в цифровых системах управления экскаваторного электропривода переменного тока. A.C. Безгин, Э.Л. Греков // Научно-технический вестник Повол-жья.-2013.-№ 3,- С. 72-77.

3. Безгин A.C. Расширение нагрузочной способности тиристорного непосредственного преобразователя частоты в верхнем диапазоне регулирования выходной частоты выше 25Гц A.C. Безгин, Э.Л. Греков // Вестник Оренбургского государственного университета,- 2013.- № 9,сентябрь,- С.170 -176.

Публикации в других изданиях:

4. Безгин A.C. Математическая модель идеализированной трехфазной обобщенной машины в естественной системе координат // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2008. - № 82, февраль. - С. 225-227.

5. Безгин A.C. Особенности конструкции моноблока транзисторного

непосредственного преобразователя частоты с микропроцессорной системой управления / А. С. Безгин, В. Г. Бессонов, В. А. Сорокин // Материалы Всерос. науч.-практ. конф.: «Интеграция науки и практики в профессиональном развитии педагога». - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2010.

6. Безгин A.C. Тиристорные и транзисторные непосредственные преобразователи частоты в электроприводе. Достоинства и недостатки / А. С. Безгин

B. Г. Бессонов, // Труды Всерос. науч.-техн. конф.: «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы»,- Оренбург: ОГУ, 2010 —С.181-185.

7. Безгин A.C. Моделирование тиристорного непосредственного преобразователя частоты с среде Matlab Simulink. // Труды Всероссийской научно-технической конференции: «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы».-Оренбург: ОГУ, 2010 - С.191-196.

8. Безгин A.C. Структура цифровой СИФУ для тиристорного НПЧ. A.C. Безгин, Э.Л. Греков // Труды Всероссийской научно-технической конференции: «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы».- Оренбург: ОГУ, 2010 —

C.224-230.

9. Безгин A.C. Цифровая система управления тиристорным непосредственным преобразователем частоты для электроприводов подъемно-транспортных механизмов / Бессонов В.Г., Греков Э.Л., Сорокин В.А. // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: И74 материалы VII Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары, 2010 - С. 126-131.

10. Безгин A.C. Модель датчика скорости на основе энкодера в среде Matlab Simulink //Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: материалы 10-й Всерос. науч.-тех. конф.- Чебоксары 2013.-С. 174-177.

11. Патент на изобретение № 2417507 МКП Н02М1/08, Н02М7/162, G05F1/46. Способ синхронизации цифровой системы,управления / Греков Э.Л., Сорокин В.А., Безгин A.C.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет".- № 2010116600/07; заявл. 26.04.2010 ; опубл. 27.04.2011, Бюл. №12,- 6с

12. Свидетельство № 2011618396 Российская Федерация. Программа управления микроконтроллером системы импульсно-фазового управления тиристорного непосредственного преобразователя частоты: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / Безгин A.C., Греков Э.Л.; заявитель и правообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный уни-верситет"-№2011616598 ; заявл. 01.09.2011 ; зарегистр. 25.10.2011.

Подписано в печать 8.11.13. Формат 60x84/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ 640.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах р^жописи

04201453475

БЕЗГИН АЛЕКСЕИ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА КАРЬЕРНОГО ЭКСКАВАТОРА ПО СИСТЕМЕ «ТИРИСТОРНЫЙ НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПЧ - ДВУХФАЗНЫЙ АД»

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор [МИКИТЧЕНКО А.Я.

кандидат технических наук, доцент Греков Э.Л.

Оренбург-2013

Содержание

Введение..............................................................................................................................................................................................5

Глава 1 Современное состояние и перспективы развития электропривода

карьерных экскаваторов..............................................................................................................................................21

1.1 Современное состояние и перспективы развития парка карьерных экскаваторов....................................................................................................................................................................................21

1.2 Характеристики основных механизмов экскаваторов............................................29

1.2.1 Статические характеристики механизмов экскаватора......................................29

1.2.2 Динамические характеристики механизмов экскаваторов..............................35

1.3 Требования, предъявляемые к экскаваторному электроприводу.... 39

1.4 Обзор исследований, выполненных по разработке частотно-регулируемых электроприводов................................................................................................................42

1.5 Задачи работы..............................................................................................................................................................................49

Глава 2 Разработка имитационной модели экскаваторного электропривода ........................................................................................................................................................................................................................52

2.1 Компьютерная модель системы электропривода подъема экскаватора ЭКГ-5..........................................................................................................................................................................................53

2.1.1 Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором............55

2.1.2 Блок ТНПЧ..........................................................................................................................................................................................61

2.1.3 Векторная система управления........................................................................................................................72

2.1.4 Модель энкодера......................................................................................................................................................................76

Глава 3 Система управления тиристорным НПЧ......................................................................................78

3.1 Общие сведения........................................................................................................................................................................78

3.2 Базовая структура СУ ТНПЧ..............................................................................................................................79

3.3 Особенности управления ТНПЧ....................................................................................................................82

3.4 Исследование работы привода в первой зоне регулирования....................86

3.5 Исследование возможности расширения перегрузочной способности в верхнем диапазоне регулирования выходной частоты, выше 25 Гц......................................................................................................................................................................................94

3.6 Повышение устойчивости работы ВСУ во второй зоне регулирования............................................................................................................................................................................................................104

3.7 Применение инкрементных энкодоров как датчика скорости в цифровых системах управления экскаваторного электропривода переменного тока................................................................................................................................................................115

Глава 4 Практическая реализация и экспериментальные исследования

привода по системы ТНПЧ-2фАД............................................................................................................124

4.1 Разработка шкафа управления приводом подъема........................................................125

4.2 Разработка микропроцессорного блока управления ТНПЧ..........................129

4.2.1 Плата контроллеров............................................................................................................................................................129

4.2.2 Плата гальванической развязки......................................................................................................................135

4.3 Методика наладки привода подъема экскаватора ЭКГ-5..................................137

4.4 Определение нагрузочной способности разработанной системы... 148 Глава 5 Энергетика электропривода подъема экскаватора ЭКГ-5................................151

5.1 Расчет энергетических показателей........................................................................................................152

5.1.1 Система ТП-Д................................................................................................................................................................................152

5.1.2 Система ТНПЧ-2фАД......................................................................................................................................................156

5.1.3 Система ТНПЧ-ЗфАД......................................................................................................................................................159

5.1.4 Коэффициенты искажения сетевого тока......................................................................................160

5.2 Определение интегральных энергетических показателей за цикл экскавации..........................................................................................................................................................................................160

5.2.1 Система ТП-Д..............................................................................................................................................................................162

5.2.2 Система ТНПЧ-2фАД......................................................................................................................................................164

5.2.3 Система ТНПЧ-ЗфАД....................................................................................................................................................166

5.3 Сравнение динамических характеристик систем электроприводов при резком стопорнии......................................................................................................................................168

5.4 Сравнение цен различных систем электроприводов..................................................170

5.5 Выводы..................................................................................................................................................................................................172

Заключение......................................................................................................................................................................................174

Список используемых источников..........................................................................................................175

Приложение А (Осциллограммы сигналов полученных на физическом макете)......................................................................................................................................................................................................184

Приложение Б (Схема электрическая принципиальная БУ)........................191

Приложение В (расчет векторных системы ТНПЧ-2фАД и ТНПЧ-

ЗфАД)..........................................................................................................................................................................................................205

Приложение Г (Свидетельства и акты внедрения)......................................209

Введение

Для разработки месторождений полезных ископаемых в зависимости от горно-геологических условий залегания и свойств пород применяют различные технологии: подземная, открытая, скважинная, подводная. Одной из самой распространенной в России является открытая технология добычи полезных ископаемых.

Технологический процесс добычи состоит из следующих операций: сначала бурятся взрывные скважины и горные породы разрушаются при помощи взрывов, далее разрушенная горная порода грузится при помощи экскаваторов в транспортные средства, затем порода транспортируется на горнообогатительную фабрику.

В зависимости от прочности и удельного веса грунта применяют различного вида экскаваторы.

Наиболее распространенной машиной среди экскаваторов с механическим оборудованием прямой лопаты, применяющейся в основном для добычи строительных материалов (щебенка, песок и т.д.), является экскаватор карьерный гусеничный ЭКГ-4,6 и его модификация ЭКГ-5. На горнообогатительных комбинатах (ГОКах) наиболее массовой машиной является ЭКГ-8И. Среди вскрышных экскаваторов драглайнов распространенными являются машины (экскаватор шагающий) ЭШ-6/45 и ЭШ-10/70.

К электроприводам основных механизмов одноковшовых экскаваторов с оборудованием прямой лопаты относят привода подъема, напора и поворота. Для драглайнов, у которых отсутствует механизм напора, к этой группе относят и привод тяги. Работа данных механизмов характеризуется интенсивным повторно-кратковременным режимом с наличием динамических и тормозных моментов.

Требования, предъявляемые к этим механизмам, обусловлены технологическим процессом, конструкцией механизма и условиями эксплуатации [1,

49, 57, 12]. Для лебедочных механизмов одноковшовых экскаваторов (подъем, напор, тяга) к таким специфическим особенностям относят следующие:

1) циклический характер работы в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками, реверсами и торможениями;

2) наличие режима опускания порожнего ковша, который целесообразно выполнять на повышенной скорости;

3) широкий диапазон изменения статических нагрузок и их несимметрия относительно направления движения;

4) механизмы являются многомассовыми с упругими кинематическими связями, в которых управляющие или возмущающие воздействия вызывают колебания упруго связанных масс;

5) наличие в цикле экскавации продолжительных режимов, когда привод должен работать со скоростью, близкой к нулю и развивать на валу двигателя значительный момент - режим «удержания ковша»;

6) наличие в цикле экскавации стопорения механизмов напора и подъема;

7) диапазон регулирования скорости (до 10:1).

В настоящее время значительное число карьерных экскаваторов имеют морально устаревшую систему «генератор - двигатель» (Г-Д). По данным из [1, 2, 17] на крупных горнодобывающих предприятиях СНГ, таких как Михайловский ГОК, Лебединский ГОК, Стойленский ГОК, «Оренбургасбест», Оленегорский ГОК, «Карельский окатыш», Соколовско-Сорбайский ГОК, Ковдорский ГОК, Полтавский ГОК, «Кустанайасбест» эксплуатируются большое количество экскаваторов с магнитными усилителями в качестве возбудителей и требуют модернизации.

Модернизация карьерных машин должна быть направлена на улучшение таких показателей как [17, с.4]:

« - повышение надежности электропривода (разработка моноблочных конструкций преобразовательных устройств в составе ЭП, применение элек-

тродвигателей переменного тока, использование микропроцессорных систем управления и т. д.);

- увеличение быстродействия;

- улучшение энергетических показателей. »

При этом можно выделить несколько направлений модернизации [17,

с.4]:

« 1) на экскаваторе остаются штатные двигатели постоянного тока, остается штатная система Г-Д, магнитные усилители заменяются тиристорны-ми или транзисторными возбудителями;

2) на экскаваторе остаются штатные двигатели постоянного тока, штатная система Г-Д заменяется на систему «управляемый преобразователь -двигатель» (УП-Д), в качестве преобразователя используется тиристорный или транзисторный преобразователь;

3) все электроприводы основных механизмов заменяются на электропривода переменного тока по системе «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ-АД). »

Существующие разработки по каждому из приведенных направлений модернизации можно охарактеризовать следующим образом [3].

Первое направление. В качестве возбудителей для генераторов на сего-днянпшй момент наиболее распространенными являются реверсивные тири-сторные выпрямители. Модернизация такого вида электроприводов является наиболее рентабельной в условиях дефицита средств и позволяет за счет замены только части оборудования добиться увеличения эффективности работы. В то же время, как показывают тенденции развития горнодобывающей промышленности, система Г-Д становится все менее эффективной по сравнению с другими системами в плане уменьшения износа оборудования, повышения производительности и уменьшения энергозатрат.

Разработанная научной группой кафедры электропривода МЭИ под руководством профессора Ключева В.И. серия унифицированных модульных

экскаваторных преобразователей ПТЭМ-1Р максимально приспособлена к тяжелым условиям эксплуатации оборудования на экскаваторах и обладает высокими технико-экономическими показателями [4-8]. Основной отличительной особенностью разработанных преобразователей является концепция моноблока, подразумевающая отсутствие внутренних регулировочных элементов. Построение и настройка системы управления осуществляется вне блока с помощью дополнительной платы (платы «обвязок»), не содержащей активных компонентов, следовательно имеющей высокую надежность. Вся разработанная серия имеет идентичные характеристики, что делает ее полностью унифицированной и взаимозаменяемой.

На основе преобразователя ПТЭМ-1Р для главных электроприводов экскаваторов разработаны серии преобразователей ПТЭМ-2Р с аналоговой схемотехникой, ПТЭМ-2Р-АЦ с цифровой СИФУ и ПТЭМ-2Р-Ц с полностью микропроцессорной системой управления ОАО «Рудоавтоматика», (г. Же-лезногорск Курской области) [71].

Цена полного комплекта электрического оборудования окупается за счет сокращения эксплуатационных затрат в течение, как максимум, года. Модернизация экскаваторов ЭКГ-8И с использованием данных низковольтного комплектного устройства (НКУ) с данными преобразователями позволило снизить динамические нагрузки, уменьшить износ механической части, повысить производительность на 3-5%, сократить энергопотребление на 3540 тыс. кВт-ч в год на одной машине за счет применения менее энергоемких, по сравнению с магнитными усилителями, систем управления [2]. Благодаря моноблочному построению исключились длительные простои экскаватора по причине отказа электроники, так как время замены вышедшего из строя моноблока резервным составляет 10-15 минут. Сама замена осуществляется неквалифицированным персоналом.

Второе направление модернизации основных электроприводов экскаваторов - это замена системы Г-Д на систему тиристорный преобразователь -

двигатель ТП-Д. При этом уменьшаются потери электроэнергии, так как коэффициент полезного действия КПД тиристорного преобразователя и КПД силового трансформатора всегда больше чем суммарное КПД генератора и приводного двигателя. К тому же система ТП-Д позволяет достичь большего быстродействия. Стоимость такой модернизации значительно превышает стоимость модернизации, связанной только с заменой возбудителей. Однако, при технико-экономическом обосновании необходимо учитывать, что в этом варианте модернизации высвобождается электромашинный агрегат, имеющий достаточно большую стоимость.

Вместе с тем система электропривода ТП-Д привносит дополнительные проблемы связанные с:

-возможным опрокидыванием инвертора, например, при «подхватывании» ковша в приводе подъема при выходе из режима повышенной скорости, или при пропадании, или значительном понижении питающего напряжения;

-потреблением значительной реактивной мощности в нижнем диапазоне регулирования скорости вращения двигателя;

-потреблением несинусоидального тока из сети.

Наиболее значительной проблемой является аварийный режим опрокидывания инвертора, так как по цепи якоря могут протекать токи, превышающие максимально допустимые, вызывающие возможную поломку двигателя и механического оборудования. Кроме того, при токах короткого замыкания, возникающих в этом режиме, скорее всего выйдут из строя тиристоры.

Накопленный опыт в управлении тиристорным преобразователем, а также разработка более надежных схем управления и защиты в настоящий момент позволяет применять данные системы электропривода на экскаваторах. ВНИИ Электропривод совместно с Уралмаш заводом с 1978 по 1990 годы произвел и ввел в эксплуатацию более 20 экскаваторов ЭКГ-20 [9]. 18 из этих машин успешно эксплуатируется. В состав комплекта ТП-Д входит пя-тиобмоточный силовой трансформатор, питающий все электропривода экс-

каватора (основные и хода). Все электропривода, кроме подъема, имеют реверсивные трехфазные мостовые схемы выпрямления. Спуск ковша в приводе подъема происходит под действием его веса.

В 2008 г. ОАО "Рудавтоматика" поставила первый комплект НКУ по системе ТП-Д на экскаватор ЭКГ-5 №15 (цех железнодорожного транспорта ОАО "Стойленский ГОК") [59]. В ходе опытной эксплуатации за два месяца экскаватором было перегружено свыше 300 тыс. т руды. Тиристорные преобразователи данного экскаватора выполнены по реверсивным мостовым схемам, которые собраны из пар соединенных последовательно нулевых схем. В качестве основного элемента используется тиристорный модуль МТЗ-800-18, позволяющий сформировать стопорные токи механизма до 1250А. Для управления тиристорными модулями используется специально разработанный драйвер, формирующий отпираемый импульс определенной формы. Применение фильтро-компенсирующего устройства (ФКУ), настроенного на 5-ю и 7-ю резонансную гармонику, позволило повысить качество потребляемых токов и увеличить коэффициент искажения тока КИ] до 0.98. Удельный расход энергии экскаватора ЭКГ-5 с системой ТП-Д составляет 0.0706 кВт*ч, а с системой Г-Д - 0.1343 кВт-ч, т.е. с системой ТП-Д расход электроэнергии почти в два раза мен�