автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование электропривода поворота одноковшового экскаватора по системе "Транзисторный непосредственный преобразователь частоты - асинхронный двигатель"

На правах рукописи

БЕССОНОВ ВАСИЛИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОВОРОТА

ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА ПО СИСТЕМЕ «ТРАНЗИСТОРНЫЙ НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ - АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ»

Специальность 05.09.03 -Электротехнические комплексы и системы

6 июн т

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2013

?

005061130

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Научные руководители:

МИКИТЧЕНКО Анатолий Яковлевич доктор технических наук, профессор, директор по научной работе ОАО «Рудоавтоматика», г. Же-лезногорск._ _______

ГРЕКОВ Эдуард Леонидович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», зав. кафедрой «Автоматизированный электропривод».

Официальные оппоненты: САРВАРОВ Анвар Сабулханович

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный

технический университет им. Г.И. Носова».

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 «28» июня 2013 года в 14-00 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, МГТУ. ^

/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МГТУ», автореферат размещен на сайте ВАК РФ.

Автореферат разослан «27 » 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.111.04 кандидат технических наук, доцент

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Добычу полезных ископаемых можно производить несколькими способами: открытым, шахтным и скважинным. Самым распространенным в России является открытый способ добычи. Основным средством выемочно-погрузочных работ является экскаватор.

На сегодняшний день самой распространенной системой электропривода (ЭП) основных механизмов экскаватора остается система «Генератор - Двигатель» (Г-Д). Большинство используемых экскаваторов на крупных горнодобывающих предприятиях имеют морально и физически устаревшую систему «Магнитный усилитель - Г- Д» (МУ-Г-Д) и требуют модернизации.

Модернизация может быть направлена на улучшение следующих показателей: повышение надежности ЭП (разработка моноблочных конструкций преобразовательных устройств, применение электродвигателей переменного тока, использование микропроцессорных систем управления и т. д.); улучшение динамических показателей (быстродействия, демпфирующей способности ЭП); улучшение энергетических показателей (формы потребляемых токов, коэффициента полезного действия (КПД), коэффициента мощности).

На сегодняшний день одним из перспективных направлений модернизации экскаваторного электрооборудования является разработка ЭП переменного тока по системе «Преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ -АД).

Анализ рынка показывает, что большинство предлагаемых преобразователей выполнены на базе автономных инверторов напряжения (АИН). Такие ПЧ имеют ряд недостатков. Это, прежде всего наличие в системе батареи конденсаторов большой емкости, большая установленная мощность системы.

Другим же видом ПЧ, способным решить многие недостатки традиционных преобразователей, является непосредственный преобразователь частоты (НПЧ), который имеет ряд достоинств. Это и беспрепятственный обмен энергией между сетью и нагрузкой, отсутствие громоздкого конденсатора, который во многом увеличивает габариты и стоимость преобразователя в целом. В НПЧ энергия подводится к двигателю непосредственно из сети по нескольким параллельным ветвям одновременно, что позволяет повысить общий КПД системы и улучшить динамику привода.

Одноковшовые карьерные экскаваторы имеют следующие основные механизмы: подъема, напора (тяги), поворота и хода. Работа привода поворота среди основных ЭП экскаватора занимает большее время в цикле экскавации и поэтому в значительной степени определяет производительность машины. Поэтому улучшение динамических, энергетических и надежностных показателей для данного ЭП является актуальной задачей. .

Целью диссертационной работы является улучшение динамических, энергетических и надежностных показателей ЭП поворота одноковшового экскаватора выполненного по системе «Транзисторный непосредственный преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ТрНПЧ - АД).

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1) разработка и исследование моделей ЭП поворота одноковшового экскаватора по системе «ПЧ — АД»;

2) исследование способа демпфирования упругих механических колебаний в трехмассовой механической системе ЭП;

3) разработка и исследование моноблочного транзисторного НПЧ;

4) разработка методики расчета цифровой системы управления;

5) исследование релейного регулятора тока.

Методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, теории электропривода, теории автоматического управления, методы компьютерного моделирования в программном пакете Ма^аЬ/БшшПпк 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) комплекс моделей двухдвигательного ЭП поворота одноковшового экскаватора ЭШ6/45;

2) методика расчета и результаты исследования гибкой обратной отрицательной связи (ГООС) по упругому моменту;

3) физический макетный образец моноблочного транзисторного НПЧ;

4) методика расчета цифровой системы управления;

5) результаты исследования релейного регулятора тока с упреждающей коррекцией.

Научная новизна: В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

1) разработан и исследован комплекс моделей, позволяющий исследовать динамику работы ЭП поворота экскаватора ЭШ 6/45 по системе ПЧ - АД с векторным управлением;

2) разработана методика расчета ГООС по упругому моменту. Данная связь позволяет осуществить демпфирование упругих механических колебаний в трехмассовой механической системе;

3) разработан и исследован транзисторный НПЧ с релейно-токовым управлением, реализованный по принципу моноблочности;

4) разработана методика расчета цифровой системы управления для микроконтроллеров с арифметикой на базе чисел с фиксированной запятой;

5) предложен и исследован цифровой релейный регулятор тока с упреждающей коррекцией, который позволяет улучшить качество формируемого выходного тока преобразователя.

Практическая ценность и реализация работы.

1) исследован релейный алгоритм управления транзисторным НПЧ обеспечивающий синусоидальные токи в нагрузке, единичный коэффициент мощности сети и рекуперацию энергии в сеть в тормозных режимах ЭП;

2) экспериментально исследован способ релейно-токового управления

преобразователем с нагрузкой разной фазности;

3) разработана методика расчета цифровой релейно-векторной системы управления НПЧ.

По материалам диссертации на предприятии ОАО «Рудоавтоматика» изготовлен макетный образец моноблочного транзисторного НПЧ.

Основные результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» на кафедре «Автоматизированный электропривод» при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам: «Энергетическая электроника», «Электрический привод» и «Математическое моделирование в электроприводе».

Результаты диссертации 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:

- VII Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (г. Оренбург 2008 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (г. Уфа 2009 г.); 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);

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

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

- на заседаниях научно-технического совета ОАО «Рудоавтоматика», г. Железногорск (Курская область) в 2007-2012г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 12 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве. Из них 4 в издании, рекомендованном ВАК РФ. Получено 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 85 наименований. Работа изложена на 163 страницах основного текста, содержит 87 рисунков, 12 таблиц и трех приложений общим объемом 32 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе рассмотрены основные требования, предъявляемые к экскаваторным ЭП, проведен сравнительный анализ существующих и перспективных систем ЭП экскаваторов. Сделан обзор основных разработок в области частотно-регулируемых ЭП. Сформулированы задачи теоретических и практических исследований.

Важным требованием, предъявляемым к ЭП основных механизмов экскаватора, является необходимость ограничения момента двигателя при перегрузках и резких стопорениях допустимым значением (стопорным моментом Мст). Это достигается с помощью специальной формы механической характеристики (экскаваторного типа). Требования к форме характеристик зависят от условий работы и конструктивных особенностей отдельных механизмов.

В приводе поворота, где стопорение в нормальном режиме работы экскаватора не происходит, экскаваторная характеристика применяется для ограничения углового ускорения поворотной платформы.

Коэффициент отсечки котс, который характеризует заполнение механической характеристики, стараются делать как можно более близким к единице для получения равноускоренного движения при пуске и торможении. Однако абсолютная мягкая характеристика является причиной плохой демпфирующей способности ЭП механических колебаний.

Многомассовые системы склонны к колебаниям, собственная частота которых зависит от моментов инерции двигателя и механизма ^, а также от жесткости валопроводов. Одной из основных задач ЭП является обеспечение наибольшего демпфирования колебаний. Эффективность демпфирования в свою очередь зависит не только от жесткости характеристики, но и от соотношения масс (у = (Лд+^)/Л ). Использование АД для основных механизмов экскаваторов позволяет повысить у за счет меньшего момента инерции данной машины, что приводит к улучшению демпферных потенциальных возможностей привода.

ЭП основных механизмов одноковшовых карьерных экскаваторов строятся на базе следующих основных систем: система Г - Д, система «тиристор-ный (транзисторный) преобразователь - двигатель постоянного тока» (ТП - Д), система «тиристорный НПЧ — АД», система АИН — АД.

Системе Г - Д присущи такие недостатки как завышенная установленная мощность, низкий КПД, инерционность процесса регулирования скорости, шум при работе. К тому же такие системы являются самыми дорогими. Наличие у ДПТ щеточно-коллекторного узла приводит к снижению показателя надежности. Тем не менее, система обладает коэффициентом мощности соБф и коэффициентом искажения синусоидальности кривых потребляемых сетевых токов близким к единице.

Системе ТП-Д свойственны следующие недостатки: наличие щеточно-коллекторного узла, возможные случаи опрокидывания инвертора, потребление значительной реактивной мощности на низких скоростях вращения двигателя. Токи со стороны сети имеют несинусоидальный характер, вследствие этого крайне необходимо использовать фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ), габариты и масса которого с ростом мощности значительно увеличиваются. КПД данной системы больше, чем у системы Г-Д, так как в отличие от неё не имеет пятимашинного агрегата. Система ТП-Д (как и система Г-Д) позволяет плавно и в широком диапазоне регулировать скорость электродвигателя без та-хометрического контроля.

Другой системой, требующей использования ФКУ, является система «тиристорный НПЧ-АД». Данная система имеет самый высокий КПД по передаче энергии относительно рассматриваемых систем, что достигается благодаря однократному преобразованию электрической энергии. Главным достоинством тиристорных НПЧ является возможность работать с большими токами и напряжениями при длительных нагрузках. Использование НПЧ дает возможность получения сколь угодно низких частот выходного напряжения преобразователя и обеспечения равномерного вращения двигателя на малых скоростях. Кроме этого в отличие от ТП — Д здесь используется более надежный и дешевый асинхронный двигатель. Одним из главных недостатков тиристорных НПЧ является низкая максимальная величина частоты питания двигателя при номинальной нагрузке, которая соответствует для нулевых схем выпрямления 25 Гц.

Массовое внедрение ЭП по системе АИН-АД в различных областях промышленности отразилось и на экскаваторном ЭП. Согласно проведенному во введении данной работы анализу наибольшая эффективность внедрения достигается при работе с активным выпрямителем. Данное решение позволяет достичь синусоидальных сетевых токов при регулируемом коэффициенте мощности, а также обеспечивает рекуперацию энергии в сеть при тормозных режимах работы.

Основные требования, которые предъявляются к ПЧ в составе ЭП, можно сформулировать следующим образом: обеспечение высокой точности отработки заданного выходного напряжения (тока); обеспечение возможности для двунаправленного потока энергии от сети к нагрузке и наоборот; соответствие требованиям электромагнитной совместимости; близкий к единице (или регулируемый) входной коэффициент мощности.

В наибольшей мере приведенным требованиям отвечает ТрНПЧ. При использовании соответствующих алгоритмов управления возможно получить практически синусоидальные токи в нагрузке. Соэср системы близок к единице практически во всех режимах работы ЭП. Диапазон частот выходного тока составляет от 0 до сотен герц. Системы, выполненные на базе ТрНПЧ, имеют КПД чуть меньший, чем у тиристорных. Это связано с большими потерями при работе транзистора. Но все равно КПД выше, чем у системы Г-Д. Рекуперация энергии в сеть происходит автоматически. Проблемы, связанной с опрокидыванием инвертора у ТрНПЧ нет, так как транзистор является полностью управляемым ключом. Отсутствие громоздкого фильтра в промежуточном звене яв-

ляется существенным достоинством ТрНПЧ перед двухзвенными ПЧ (АИН -АД), так как наличие такого фильтра увеличивают стоимость и массогабарит-ные показатели системы. Основным недостатком ТрНПЧ является пониженный коэффициент передачи по напряжению (кШ1=0,86). Решением может послужить использование трансформатора с повышенным выходным напряжением. Таким образом, ТрНПЧ объединяет достоинства двухзвенных преобразователей, исключая их характерные недостатки.

В таблице 1 приведены основные показатели рассматриваемых систем согласно литературным и научным источникам.

Таблица 1 - Показатели систем экскаваторного ЭП

Система экскаваторного электропривода г-д ТП-Д (с ФКУ) Тиристор-ныйНПЧ-АД (с ФКУ) АИН с ШИМ-АД Транзисторный НПЧ-АД

КПД 0.811 0.879 0.9 0.863 0.894

СОБф я 1 <0.86 <0.86 »1 «1

Диапазон регулирования скорости ниже номинальной 10:1 (1020): 1 (40-60): 1 100:1 больше 100:1

Согласно стоимостной оценке систем экскаваторного ЭП, система ТрНПЧ - АД по стоимости уступает лишь системе АИН - АД.

По выполненному сравнительному анализу заметна перспективность перехода от широко используемых систем экскаваторного ЭП постоянного тока к частотно-регулируемым, в частности к применению системы ТрНПЧ — АД.

Во второй главе в программном пакете Ма^аЬ/випиПпк разработаны модели векторного способа управления электроприводом при стабилизации по-токосцепления ротора (в действительных и относительных единицах). Предложена методика расчета цифровой системы управления (ЦСУ) для микроконтроллеров с арифметикой на базе чисел с фиксированной запятой. Данная методика реализована на макетном образце системы ТрНПЧ — АД.

Согласно рассматриваемой системе векторного управления при стабилизации потокосцепления ротора (рис. 1) АД приобретает характеристики близкие к характеристикам ДПТ, что позволяет осуществить плавный переход от экскаваторного ЭП постоянного тока к частотно-регулируемому.

Транзисторный НПЧ ^УТ

Рис. 1

В каждую фазу двигателя включен трехфазно-однофазный ТрНПЧ с релейными регуляторами тока. Кроме этого ЦСУ содержит контур потокосцепле-ния с регулятором РПт, контур момента с регулятором РМ и контур скорости с регулятором РС. Задатчик интенсивности ЗИ ограничивает максимальный темп разгона и торможения ЭП. Для реализации векторной системы используется блок вычисления потокосцепления и момента во вращающихся координатах («Модель потока», рис. 1), а также прямой и обратный преобразователи координат ПКП и ПКО.

Общие положения методики настройки ЦСУ для минимизации ошибки вычислений:

- все сигналы ЦСУ представляются в относительных единицах (1о.е. = 32767|0 = 0х7РРР16);

- при расчете структуры управления максимальное значение всех сигналов в статическом режиме принимаются равным и*МЛх = 0,75. Оставшиеся 0.25

единицы (25%) отводятся на возможное перерегулирование;

- все полученные коэффициенты регуляторов и обратных связей должны быть максимально приближены к принятой относительной единице. В случае значительного отличия применяется предварительный битовый сдвиг влево или вправо, впоследствии компенсирующийся обратным сдвигом результата. Формат представления коэффициентов при этом имеет вид к=т-2п (где т=0хЗРРР ...0х7РРР, п=±1, 2,3, ...).

Настройка релейного регулятора тока сводится к выбору токового "коридора". При этом коэффициент передачи обратной связи (ОС) по току определяется схемотехническим решением датчика тока и приведенными выше положениями (рис. 2):

I.

lo.e.

НСН. 788J — усилитель, предназначен для контроля тока двигателя ADC - аналогочдерровой преобразователь (встроен в микроконтроллер)

и ■ (1)

ш Ьср1 где иш, 1ш - номинальные напряжение и ток шунта; и^р) - максимальное входное напряжение мик-Рис- 2 росхемы НСРЬ788Д.

При настройке контура потокосцепления следует учесть, что значение тока статора, поступающее в математическую модель двигателя, преобразуется датчиком тока. Соответственно коэффициент ОС по потокосцеплению коспт рассчитывается следующим образом (рис. 3):

у2,о.е.

(и'мАх) кос

1а.н"

Кост Lm/(T2p+1) ост Коспт

и

Рис. 3

^2н

•к

-Д2)

ост

где \|/2н - номинальное потокосцепление ротора, Вб; vj>2 - значение ОС по потокосцеплению в o.e.; Ila н— номинальное значение тока статора по оси а вра-

щающейся системы координат; Т2 - постоянная времени ротора; Lm - взаимная индуктивность статора и ротора АД.

Апериодическое звено в ЦСУ рассчитывается с помощью разностного уравнения:

vj,2[n]=Ila[n].Lm.kocnT.(l-e-T^) + v2[n-l]-e-T^ , (3)

где Td - период дискретизации (время выполнения цикла программного обеспечения).

ПИ регулятор РПт рассчитывается по разностному уравнению:

С Ы = (V2 -'Vi Ы) • ■kv + Ы - V2 Ы)"1пу + 4 [п" !]J. (4)

т* *

где 11а - задание на ток по оси а в o.e.; \|/2 - задания на поток в o.e. Коэффициенты РПт рассчитываются по формулам:

- пропорциональный коэффициент: = ——2—ост — 5 (5)

2'THY*Lm 'UMAX

Т.

■ интегральный коэффициент: ¡п^, = —, (6)

где Т - нескомпенсированная малая постоянная времени, с.

гт

По аналогичной методике настраивается контур момента (рис.4).

Рис.4

Коэффициент усиления обратной связи по моменту (7):

Umax

= тт-г^-:-■ (7)

М-----• к ост • кОСПт

осм

мах

Момент в o.e. рассчитывается по формуле (8):

ЙД=(!}Рп-к2-косм-*2-Т.р> (8)

где рп - число пар полюсов двигателя.

Разностное уравнение И - регулятора момента:

1ф[п] = (Мд-Мд[п]).1пм+1;р[п-1] , (9)

Шм=-Td-kocT-MMAX-> (ш)

2'Тр.м. • Vm {2J'pn 'к2 • V2H -U*max

где Ммдх - стопорное значение момента, Н-м; М*д - задание на момент, o.e. Коэффициент обратной связи по скорости определяется по формуле:

U MAX

"O.MAX

Уравнение П-регулятора скорости:

м :=-

Umax

2-ММАХ-Т^-кдс

• (со* - ю),

(12)

где Jy - суммарный момент инерции ЭП; со , ш - задание и обратная связь по скорости в o.e.

Для опробования методики настройки создана модель ЭП, реализованная в относительных единицах в программном пакете Matlab/ Simulink. Двигатель типа АИРМ132S1 (Р„ = 7,5 кВт, сон = 1440 об/мин, I„= 15 А).

Результаты работы ЦСУ в режиме пуска и реверса на холостом ходу представлены на рис. 5 (сверху вниз - скорость АД; момент, развиваемый АД; ток 11у ПКО): а) моделирование; б) эксперимент на физическом макете. Экспериментальные исследования подтверждают адекватность принятых теоретических положений методики настройки ЦСУ.

lo.e.

lo.e.

lo c-.....;'/yv. \ •":...... ..... ...... ...... ..... "' f\i"'

"?V'VVVV'J 1 jVxA/VXA/VVVVW'WVYA/V-vVVV/VVA/VVX^I \

• . ". . \ \ t=0,5c

a)

lo.e. ........\

^-

lo.e.

r •mtfftr Лд. ...

lo.e. ....../

/ f" r""V >J1/""'

6) Рис. 5

В третьей главе разработан и исследован комплекс моделей, позволяющий исследовать динамику работы двухдвигательного ЭП поворота экскаватора ЭШ 6/45. Также предложена методика расчета гибкой обратной отрицательной связи (ООС) по упругому моменту. Данная связь позволяет осуществить демпфирование упругих механических колебаний в трехмассовой механической системе.

Механизм поворота может быть представлен в виде трех масс (двух двигателей и платформы), соединенных упругими связями. Колебание ковша не учитывается в виду значительной разницы в частоте упругих колебаний платформы и ковша.

Разработаны три модели с разными системами ЭП: система Г-Д при последовательном подключении ДПТ и системы ПЧ-АД при векторном управлении (рассмотренной во 2 главе) при независимом и параллельном соединении АД.

Модель системы Г-Д была разработана для доказательства адекватности моделирования механической части ЭП поворота. На рис. 6 представлены результаты моделирования (б) и эксперимента (а), проведенного на экскаваторе ЭШ 6/45 №68 Столенского ГОКа (осциллограммы напряжения на одном из приводных двигателей в режиме "пуск - торможение").

В системе Г-Д в приводе поворота ЭШ 6/45 используется последовательное соединение якорных цепей двигателя. Показано, что при этом двигатели имеют слабодемпфированные противофазные колебания с частотой Q0=22 1/с (О0 = 2 ■ п ■ f0 = 2 • л • (n/t) = 2-л- (14/4) = 21,98 Ус, рис. 6, а).

-идв ........ ....... • >4'V-.

-.....—

б) t = 4с. ' J

J

Рис. 6

При реализации ЭП по системе ПЧ-АД, чтобы обеспечить демпфирование упругих колебаний, предлагается ввести гибкую ООС по упругому моменту М13 (М23). Данная связь заводится на вход регулятора момента и содержит дифференцирующее и усилительное звенья.

На практике значение упругого момента М13 получают при использовании специальных датчиков. Предлагается рассчитывать данный момент косвенным способом:

скот

М13=Мд-.1д'

■"Д

<к

-м,

С '

(13)

где Jд - момент инерции двигателей, Мд - текущие значения развиваемого момента (по модели), <вд - скорость вращения двигателя.

Ввиду небольшого значения Мс ЭП поворота экскаватора (до 20% от стопорного значения) и наличия дифференцирующего звена в гибкой ООС статическим моментом можно пренебречь.

Коэффициент усиления кгос гибкой ООС рассчитывается исходя из принципов настройки на технический оптимум. В рассматриваемый замкнутый контур входят контур момента, который упрощается до усилительного звена 1 /к0см, вращающаяся масса Шф, связанная с двигателем, интегрирующее звено для расчета положения, коэффициент упругости С13 и гибкая ООС (рис.7).

,-—-ца- г

! осм ;1Р

I —. 17—I Iм"

I- р «- кгос -

Аф

Мп

■ЬР

а)

Дф

1 ш, 1

1,р р С13

м„

w

б) Рис.7

Передаточная функция замкнутого контура: 1 (1/:,Р)-(1/Р)-С13 _ 1

зам к осм 1 + (1 + ^го^р).(1/11р).(1/р).с13

^осм

Из выражения (14) имеем: к

сп к

^осм

гос

= л/2-к

осм '

(14)

(15)

Было проведено исследование влияния кгсю на характер переходного процесса при пуске двухдвигательно ЭП экскаватора ЭШ6/45 по коэффициенту динамичности кд =Мупр мах/Мсхоп . Качество переходных процессов оцени-

валось по первому максимальному значению упругого момента МУПР МАХ (кд)

после выбора зазора и при установившемся упругом моменте М'УПРМАХ (кд).

На рис. 8 показаны переходные процессы: а) без гибкой ООС б) с введенной связью; в) с введенной связью и с использованием двухступенчатого ЗИ.

Рис. 8

Результаты исследования при независимом подключении АД представлены на рис. 9 (1 - кд при одинаковых зазорах в кинематических цепях двигателей; 2 - кд при разных зазорах; 3,4 - к'д при одинаковых и разных зазорах). Анализ результатов исследования показал, что введение гибкой ООС по упругому моменту позволяет снизить момент упругих колебаний до двух раз. При этом максимальный упругий момент больше стопорного на 25-35% (в зависимости от величины зазоров в первой и второй передачах). Снижение кгос относительно расчетного в два раза уже приводит к увеличению момента упругих колебаний примерно на 30%.

Кгос -

Рис. 9

При увеличении данного коэффициента упругий момент становится

очень близким к стопорному значению. Однако при выходе работы электропривода в статический режим возникает рассогласованная работа электродвигателей, что приводит к возникновению периодических ударов. Рассматривая установившийся упругий момент МуПРМАХ (при расчетном коэффициенте кгос) можно сделать вывод, что величина удара при первоначальной выборке зазоров не влияет на оптимальное демпфирование упругих колебаний в установившемся динамическом режиме.

Следует отметить, что использование совместно с предложенной гибкой связью по упругому моменту двухступенчатого ЗИ способствует протеканию переходных процессов практически без колебаний (рис. 8, в).

При исследовании структуры при параллельном включении двигателей с одним общим преобразователем гибкая ООС вводилась от упругого момента одного двигателя и от суммы упругих моментов в двух передачах. Исследования показали, что при одинаковых зазорах и при соответствующих расчетных коэффициентах обе системы ведут себя идентично. Коэффициенты динамичности очень близки к таковым при независимом подключении двигателей. Однако при различных зазорах в начальный момент пуска привода наблюдаются динамические удары, превышающие стопорные почти в три раза. Использование двухступенчатого ЗИ не позволяет избавиться от данных ударов. При дальнейшем разгоне машин гибкая связь демпфирует их до значений близких к стопорному моменту. '

Исследования показали, что при независимом соединении АД в двух-двигательном ЭП возникают синфазные колебания, которые поддаются демпфированию. Введение специального узла по упругому моменту способствует демпфированию колебаний и соответственно уменьшает нагрузку в передачах.

В четвертой главе приведены результаты разработки и экспериментального исследования транзисторного НПЧ, выполненного из моноблоков, работающих в режиме источников с релейным формированием выходного тока. Также предложен цифровой релейный регулятор тока (РРТ) с упреждающей коррекцией, который позволяет улучшить качество формируемого выходного тока преобразователя.

Моноблок транзисторного НПЧ представлен на рисунке 10 (а - упрощенная структура; б - макет).

Разработанный НПЧ состоит из нескольких моноблоков, представляющих собой трехфазно-однофазные преобразователи с общей системой управления. Каждый моноблок, работая на свою фазу нагрузки, охвачен ООС по току, заведенной на вход релейного регулятора. Алгоритм релейного включения и отключения ключей моноблока обеспечивает синусоидальные токи в нагрузке при потреблении токов из сети с cos<p = 1.

Исследование свойств преобразователя проводилось при разных схемах включения (при соответствующем количестве моноблоков): трехфазно-однофазной, трехфазно-двухфазной и трехфазно-трехфазной схемах. При этом дана оценка: насколько качественные токи можно получить в нагрузке при использовании микропроцессорной системы управления, какие требуются для

формирования синусоидальных токов запасы по напряжению, какое влияние преобразователь оказывает на сеть.

а)

б)

Рис. 10

Исследования показали, что при трехфазно-однофазном и трехфазно-двухфазном варианте построения преобразователя в выходном токе образуются провалы (рис. 11,6), что свидетельствует о нехватке сетевого напряжения для формирования токов, при переходе работы с одной фазы сети на другую. Они

1с \ и А \ . А \ А

/

1са А Л Л

ДУ 1ч /

1сс V / V / л ,

1

а)

На низких и высоких частотах, порядка 10 и 70Гц, при работе трехфазно-однофазного НПЧ фазы сети загружены примерно равномерно, но формы токов по фазам неодинаковы. С приближением задания к частоте 50Гц ток в одной из фаз сети в течение какого-то времени может вообще отсутствовать. А если синхронизовать работу моноблока на 50-ти герцах, то ток из одной из фаз потребляться вообще не будет (рис. 11, а).

При работе трехфазно-трехфазной схемы преобразователя провалы в формируемом токе компенсируются моноблоками соседних фаз нагрузки (рис. 12, б).

На всем рассматриваемом диапазоне частот (0.5-70Гц) фазы сети загружены равномерно. Ток сети симметричен относительно нуля. Причем согласно заложенному релейному алгоритму соБф = 1 (рис. 12, а).

Разработанная экспериментальная установка системы ТрНПЧ-АД на базе асинхронного двигателя АИРМ13281 позволяет убедиться, что рассматриваемый алгоритм коммутации ключей преобразователя обеспечивает в тормозных режимах рекуперацию энергии в сеть (рис. 13).

1 ииа / У /

л N

1на /"Л

ЧУ ЧУ Ч/

б) Рис. 1 1

17

Uca - 50 В/дел lca-lOA/дсл t - 10 мс/дел Цна-50В/дел 1на-10АУдел 1-0-5мс/деп

J, / = 5А |ис»20В t=oJoi с i

V Je : /К /К|

\ V ш

1

Рис. 1 3

В программном пакете Matlab/Simulink реализованы модели преобразователя, которые позволяют проверить алгоритм работы устройства, а также исследовать его свойства и режимы.

В данной работе РРТ реализован в виде программного кода. Однако дискретность работы ЦСУ ухудшает точность поддержания тока на заданном уровне. При этом колебания тока значительно превышают заданное значение токового "коридора". Для улучшения качества формируемого тока предложен цифровой регулятор с упреждающим звеном (рис. 14).

Принцип его действия в том, что корректирующее звено оценивает поведение тока на следующий период дискретизации на основании текущего и предыдущего значений ошибки регулирования. И если его значение существенно превышает токовый "коридор", то узел упреждения принудительно переключает РРТ не дожидаясь выхода тока за пределы ширины "коридора".

Zadanie

Задание на ток

+

Relay

Релейный регулятор

/

) > t

Dead Zone

10 Gain

Я

Unit Delay

Ток в нагрузке

Рис. 14

При исследовании свойств предлагаемого регулятора дан сравнительный анализ его работы относительно преобразователя с аналоговым регулятором тока и цифровым классическим.

Качество работы регуляторов оценивалось по относительной среднеквадратичной ошибке по току при различной величине зоны нечувствительности корректирующего звена (рис. 14, Dead Zone). Частота дискретизации равна 20 кГц. Результаты исследования представлены на рисунке 15. Согласно полученным зависимостям видно, что наилучшее качество формируемого тока обеспечивает аналоговый РРТ (рисунок 15, а, позиция 1), худшими показателями

обладает цифровой РРТ (рисунок 15, а, позиция 2). А применение цифрового РРТ с упреждающей коррекцией позволяет улучшить качество тока (рисунок 15, позиция 3). Причем при заложенной частоте дискретизации (20кГц) выявлена оптимальная ширина зоны нечувствительности корректирующего звена, при которой достигаются минимальные выбросы тока. И она составляет 1.5 А1з (рисунок 15, а, точка А). Анализ результатов показал, что при использовании РРТ с упреждающей коррекцией максимальные «выбросы» тока уменьшились почти на 40%.

О 0,5Д13 Д13 1,5Д13 2Д13 2,5Д13 ЗД13 3,5Д13 4Д13 4,5Д13 5Д13

Рис. 15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические разработки, обеспечивающие решение актуальной задачи. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1) проведен сравнительный анализ существующих и перспективных систем ЭП экскаваторов, который показал перспективность перехода от широко используемых систем экскаваторного ЭП постоянного тока к частотно-регулируемым, в частности к применению системы ТрНПЧ - АД;

2) разработаны модели двухдвигательного ЭП поворота экскаватора ЭШ 6/45 по системе ПЧ - АД при независимом и параллельном подключении двигателей;

3) разработана методика расчета ГООС по упругому моменту. Данная связь позволяет снизить момент упругих колебаний до двух раз и соответственно уменьшает нагрузку в передачах. При этом максимальный упругий момент превышает стопорный на 25-35% (в зависимости от величины зазоров в первой

и второй передачах);

4) разработана методика расчета ЦСУ для микроконтроллеров с арифметикой на базе чисел с фиксированной запятой, которая может быть адаптирована при реализации любой другой структуры ЭП;

5) разработаны конструкция и программное обеспечение ТрНПЧ выполненного по принципу моноблочности;

6) экспериментально исследован транзисторный НПЧ с принципами ре-лейно-токового управления, который обеспечивает синусоидальные токи в нагрузке при потреблении токов из сети с cos(p = l, а также позволяет в тормозных режимах беспрепятственно отдавать энергию в сеть;

7) предложен и исследован цифровой релейный регулятор тока с упреждающей коррекцией, который позволяет уменьшить выбросы тока на 40%.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах;

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Микитченко, АЛ. Исследование режимов активного выпрямителя в транзисторном электроприводе постоянного и переменного тока. / АЛ. Микитченко, ПР. Шестаков, В.Г. Бессонов, А.Н. Шевченко // Электротехника.- 2010.-№ 7. — С.52-57.

2. Микитченко, А Л. Экспериментальное исследование транзисторного непосредственного преобразователя частоты с релейно-токовым управлением. / АЛ. Микитченко, В.Г. Бессонов // Электричество.- 2012,- № 7. - С.47-50.

3. Микитченко, АЛ. Создание низковольтных комплектных устройств на базе системы "тиристорный преобразователь - двигатель" для серии электрических экскаваторов. / АЛ. Микитченко, В.В. Сафошин, Э.Л. Греков, М.В. Могучев, А.Н. Шевченко, A.A. Жирков, А.Н. Шоленков, Д.Р. Шевченко, С.И. Филимонов, В.Г. Бессонов // Горное электрооборудование и электромеханика.-

2012.- № 5. - С.2-7.

4. Микитченко, АЛ- Влияние на сеть и энергетика низковольтных комплектных устройств для серии электрических экскаваторов выполненных на базе системы "тиристорный преобразователь - двигатель"./ А.Я. Микитченко, В.В. Сафошин, Э.Л. Греков, М.В. Могучев, А.Н. Шевченко, A.A. Жирков, А.Н. Шоленков, Д.Р. Шевченко, С.И. Филимонов, В.Г. Бессонов // Горное электрооборудование и электромеханика,- 2012.- № 7. - С.8-15.

Публикации в других изданиях:

5. Бессонов, В.Г. Перспективы развития матричных преобразователей

частоты.//Вестник ОГУ - 2008.-№ 82, февраль. - С. 227.

6. Бессонов, В.Г. Алгоритм программы управления трехфазно - однофазным транзисторным НПЧ при релейном формировании тока нагрузки. // Материалы VII Всерос. науч.-практ. конф. (с международным участием): «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике». -Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. - С.238-243.

1. Бессонов, В.Г. Сравнительный анализ существующих систем экскаваторного электропривода с системой «Транзисторный НПЧ-АД». // Материалы Всерос. науч.-техн. конф.: «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» - Уфа: УГНТУ, 2009. - С.201-207.

8. Бессонов, В.Г. Транзисторный непосредственный преобразователь частоты в электроприводе. //Материалы Всерос. науч.-практ. конф.: «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» -Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. - С.2875 -2878.

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

10. Бессонов, В. Г. Тиристорные и транзисторные непосредственные преобразователи частоты в электроприводе. Достоинства и недостатки / В. Г. Бессонов, А. С. Безгин // Труды Всерос. науч.-техн. конф.: «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы».- Оренбург: ОГУ, 2010-С.181-185.

11. Бессонов, В. Г. Математическое моделирование частотно-токового управления асинхронным двигателем в программном пакете Matlab/Simulink. // Труды Всерос. науч.-техн. конф.: «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы»,- Оренбург: ОГУ, 2010 -С.186-191.

12. Бессонов, В. Г. Исследование математической модели векторной системы управления асинхронным двигателем // Труды Всерос. науч.-техн. конф.: «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы»,- Оренбург ОГУ 2012 — С.276-283. . '

13. Программа управления транзисторным непосредственным преобразователем частоты для электроприводов машин горнодобывающей промышленности. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2010610946 / В.Г. Бессонов, Э.Л. Греков. Заявлено 03.12.2009, №2009616866. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ, 29.01.2010.

14. Программа векторного управления транзисторным преобразователем частоты для электроприводов переменного тока // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011618215 / Э.Л. Греков, В.Г. Бессонов. Заявлено 25.08.2011, №2011616455. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ, 19.10.2011.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.111.04 ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

(протокол Ks _от#ДГ2013 г.)

ЛР№063109от 04.02.1999г. Отпечатано в ООО «Агентство «Пресса»

ИНН/КПП 5610056518/561001001 460015, г. Оренбург, ул. Пролетарская, 15,

Захаз № 2859. Тираж 100 экз. Подписано в печать 24.05.2013 г.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

0420135^34

БЕССОНОВ ВАСИЛИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОВОРОТА ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА ПО СИСТЕМЕ «ТРАНЗИСТОРНЫЙ НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ - АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ»

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор МИКИТЧЕНКО А.Я.

Магнитогорск -2013

Содержание

Введение........................................................................ 4

Глава 1 Современное состояние и перспективы развития экскаваторного

электропривода................................................................................... 14

1.1 Характеристики основных механизмов экскаваторов.................... 14

1.2 Требования, предъявляемые к экскаваторному электроприводу .. 24

1.3 Анализ существующих и перспективных систем электроприводов экскаваторов................................................................................. 27

1.4 Разработки и исследования частотно-регулируемых асинхронных электроприводов......................................................................... 33

1.5 Задачи работы..................................................................................... 41

Глава 2 Разработка и исследование релейно-векторной системы управления электроприводом на базе транзисторного НПЧ................... 42

2.1 Векторное управление электроприводом с ориентацией по потокосцеплению ротора................................................................... 42

2.2 Расчет регуляторов векторной системы управления с ориентацией по потокосцеплению ротора......................................................... 46

2.3 Разработка и исследование математической модели векторной системы управления с ориентацией по потокосцеплению ротора 50

2.4 Практическая реализация релейно-векторного управления АД на макетном образце системы «Транзисторный НПЧ - АД». Методика расчета цифровой системы управления.................................. 61

2.5 Выводы по главе................................................................................. 72

Глава 3. Разработка и исследование электропривода поворота одноковшового экскаватора по системе "ПЧ-АД"........................................ 73

3.1 Электропривод поворота экскаватора ЭШ 6/45.............................. 73

3.2 Разработка математических моделей электропривода поворота экскаватора ЭШ 6/45.......................................................................... 79

3.3 Исследование моделей электропривода поворота при независи-

мом и параллельном подключении асинхронных двигателей....... 91

3.4 Вывод по главе................................................................................... 106

Глава 4 Разработка и исследование транзисторного непосредственного преобразователя частоты. Варианты построения преобразователя. Моделирование НПЧ.................................................................... 107

4.1 Алгоритм релейного формирования тока нагрузки........................ 107

4.2 Разработка макетного образца транзисторного НПЧ..................... 114

4.3 Экспериментальное исследование транзисторного непосредственного преобразователя частоты с релейно-токовым управлением ..................................................................................................... 125

4.4 Разработка математических моделей транзисторного НПЧ. Доказательство адекватности результатов моделирования................ 133

4.5 Исследование цифрового релейного регулятора тока с упреждающей коррекцией........................................................................... 143

4.6 Практическая реализация трехфазно-трехфазного транзисторного НПЧ............................................................................................... 151

4.7 Выводы по главе................................................................................. 152

Заключение.......................................................................................... 153

Список использованных источников................................................ 154

Приложение А. (Демпфирование упругих колебаний).................. 164

Приложение Б. (Блок-схема и краткое описание алгоритма программного обеспечения моноблока транзисторного НПЧ при релейном формировании тока)............................................................. 178

Приложение В. (Свидетельства и акты внедрения)....................... 191

Введение

Актуальность темы. Добычу полезных ископаемых можно производить несколькими способами: открытым, шахтным и скважинным. Самым распространенным в России является открытый способ добычи полезных ископаемых. Основным средством выемочно-погрузочных работ является экскаватор.

На сегодняшний день самой распространенной системой электропривода (ЭП) основных механизмов экскаватора остается система «генератор-двигатель» (Г-Д). Большинство используемых экскаваторов по системе Г-Д на крупных горнодобывающих предприятиях СНГ (Михайловский ГОК, Лебединский ГОК, Стойленский ГОК, «Оренбургасбест», Оленегорский ГОК, «Карельский окатыш», Соколовско-Сорбайский ГОК, Ковдорский ГОК, Полтавский ГОК, «Кустанайасбест») имеют морально и физически устаревшую систему «магнитный усилитель - генератор - двигатель» (МУ-Г-Д) и требуют модернизации /1,2/.

Модернизация может быть направлена на улучшения следующих показателей электропривода:

- повышение надежности электропривода (разработка моноблочных конструкций преобразовательных устройств в составе ЭП, применение электродвигателей переменного тока, использование микропроцессорных систем управления и т. д.);

- улучшение динамического показателя (быстродействия);

- улучшение энергетических показателей (улучшение форм потребляемых токов системой ЭП, повышение КПД, единичный (или регулируемый) коэффициент мощности).

На сегодняшний день возможны три пути модернизации экскаваторного электрооборудования /2/:

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

2) на экскаваторе остаются штатные двигатели постоянного тока, штат-

ная система Г-Д заменяется на систему «управляемый преобразователь - двигатель» (УП-Д), в качестве преобразователя используется тиристорный или транзисторный преобразователь;

3) на экскаваторе остаются штатные двигатели постоянного тока, остается штатная система Г-Д, магнитные усилители заменяются тиристорными или транзисторными возбудителями.

Одним из перспективных направлений модернизации экскаваторного электропривода является замена «устаревшего» электрооборудования на систему ПЧ-АД.

По принципу действия преобразователи частоты можно разделить на два

вида:

- преобразователи частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока;

- непосредственные преобразователи частоты (НГТЧ).

Каждый вид, в свою очередь подразделяется еще на несколько типов:

- преобразователи со звеном постоянного тока: автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные инверторы тока (АИТ);

- НПЧ разделяют по схемам выпрямления и по пульсности: нулевые (трехпульсные и эквивалентные шестипульсные), мостовые (шестипульсные), двенадцатипульсные, и т. д., существуют и так называемые кольцевые схемы, в которых преобразователи соединены в кольцо.

Силовая цепь ПЧ может выполняться как на тиристорах, так и на транзисторах.

В настоящее время современный рынок предлагает большой выбор ПЧ различного назначения, как иностранных - азиатских (китайских, японских), европейских, американских и др., так и российских производителей. Широкий ассортимент продукции даёт возможность осуществить выбор ПЧ с оптимальным сочетанием стоимости и функциональности. Основную долю составляют преобразователи для механизмов со спокойными режимами работы: насосы, вентиляторы и т.п. Также интенсивно развивается производство преобразователей, специально предназначенных для подъемно-транспортного оборудования:

лифты, краны и т.п. Из зарубежных производителей ПЧ можно выделить следующих: Siemens (преобразователи Micromaster), Danfoss, ABB, Lenze, Control Techniques, Schneider Electric (преобразователи Altivar), General Electric, Hitachi, Omron, Mitsubishi Electric, Toshiba, Fuji Electric Vacon, LG Hyundai Electronics, Long Shenq Electronic, Delta Electronics, Elettronica Santerno, Emotron и т.д., из отечественных: ООО «ТРИОЛ-СПб» (Санкт-Петербург), ЗАО «Эрасиб» (г. Новосибирск), ОАО «Электросила» (Санкт-Петербург), ЗАО «Электротекс» (Орел), «Объединенная энергия» (Москва), ЗАО НТЦ «Приводная Техника» (Москва), «Веспер» (Москва) и т.д.

Самым распространенным конструктивным решением для ПЧ является транзисторный автономный инвертор напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и неуправляемым выпрямителем (НУВ) на входе. Данный тип преобразователя позволяет получить практически синусоидальные токи в нагрузке. Напряжение, приложенное к двигателю, при этом имеет импульсный характер. Диапазон частот тока в нагрузке составляет от единиц до нескольких сотен герц. Получение частоты выходного тока с синусоидальной формой ниже 2 Гц требует специального алгоритма управления ШИМ, что усложняет программное обеспечение преобразователя. Ток, потребляемый из сети, практически всегда имеет cos(p близкий к единице, но содержит высшие гармонические составляющие /2/ (рисунок В.1).

Рис. В.1 Форма тока и напряжения, потребляемых из сети системой НУВ-АИН (ШИМ) - АД

Таким образом, для совместимости с сетью приводу по системе АИН-АД требуется фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ) для подавления высших гармоник потребляемого тока.

Следующим типом ПЧ со звеном постоянного тока являются двухзвен-ные преобразователи на базе автономных инверторов тока (АИТ). Если привод по системе АИН с ШИМ для рекуперации энергии в сеть требует дополнительного узла рекуперации, то в приводах по системам АИТ-АД это происходит автоматически и дополнительных узлов не требуется. Величина и форма выходного напряжения АИТ зависит от параметров нагрузки. Поэтому инверторы тока совместимы только с нагрузкой активно-емкостного характера, иначе между инвертором и нагрузкой необходимо установить буферный элемент индуктивного характера /3/. Хотя разработкой электроприводов по данной системе занимались (и еще занимаются) многие исследователи, она пока не получила широкого распространения в связи с тем, что данная система обеспечивает ступенчатую форму тока и, как следствие, колебание скорости двигателя около нуля /2/.

Для улучшения формы потребляемого тока, уменьшения потребления реактивной мощности из сети, при одновременной возможности двухстороннего обмена энергией, применяют схемы ПЧ на полностью управляемых ключах (силовые полевые транзисторы - МОБЕЕТ, запираемые тиристоры - вТО, биполярные транзисторы с изолированным затвором - ГСВТ, запираемые тиристоры с интегрированным блоком управления - ЮСТ).

Полностью управляемые ключи нашли свое применение в составе двух-звенных ПЧ со звеном постоянного тока - система «активный выпрямитель -автономный инвертор напряжения - асинхронный двигатель» (АВ (АРЕ) -АИН -АД).

Основные достоинства применения активного выпрямителя (АВ) заключаются в следующем:

- возможность формирования синусоидальных сетевых токов;

- регулируемый коэффициент мощности, что делает возможным работу преобразователя в режиме компенсатора реактивной мощности;

- способность отдавать энергию в сеть при тормозных режимах работы электропривода без дополнительных узлов;

- возможность использования АВ как для электроприводов переменного тока (система «АВ-АИН-АД»), так и для электроприводов постоянного тока (система «активный выпрямитель - импульсный источник питания - двигатель постоянного тока» (АВ-ИИП-ДПТ)).

Недостатками же применения АВ являются конденсатор в звене постоянного тока и применение значительных по весогабаритным показателям буферных реакторов на входе преобразователя.

В экскаваторном электроприводе данный преобразователь впервые в истории отечественного машиностроения применен относительно недавно. Данной системой был оснащен и успешно прошел испытания на Краснобродском разрезе осенью 2011 года одноковшовый экскаватор ЭКГ-32.

В преобразователях со звеном постоянного тока энергия к двигателю подводится и отводится последовательно через несколько блоков, что приводит к снижению КПД (за счет двукратного преобразования энергии). Причем мощность каждого из этих блоков должна быть не меньше мощности двигателя /2/.

Другим же видом ПЧ, способным решить многие недостатки рассмотренных преобразователей, является непосредственный преобразователь частоты (НПЧ). Не для кого не секрет, что НПЧ во многом выигрывают у традиционных преобразователей частоты со звеном постоянного тока, заполонившим современный рынок. Это и беспрепятственный обмен энергией между сетью и нагрузкой, отсутствие громоздкого конденсатора, который во многом увеличивает габариты, стоимость и уменьшает срок службы преобразователя в целом. В НПЧ энергия подводится к двигателю непосредственно из сети по нескольким параллельным ветвям одновременно, что позволяет повысить общий КПД системы.

НПЧ также могут быть выполнены как на тиристорах, так и на транзисторах.

Использование тиристоров в качестве силовых приборов позволяет по-

высить надежность системы за счет того, что тиристор может выдерживать большие токовые перегрузки. С другой стороны, в большинстве случаев, тиристоры - это однооперационные приборы. Это обусловливает необходимость использования специальных алгоритмов управления или узлов искусственной коммутации. Токи, получаемые в нагрузке, имеют кроме первой гармоники высшие гармонические составляющие. Они не создают полезного момента, но способствуют дополнительным тепловым потерям в двигателе. Одним из главных недостатков тиристорных НПЧ является низкая максимальная величина частоты питающего напряжения двигателя при номинальной нагрузке. Плавное регулирование частоты выходного напряжения выше 25 Гц затруднено (в зависимости от пульсности схемы). Выходом из этой ситуации могут послужить установка двигателя повышенной мощности и с меньшим числом пар полюсов (при этом габариты двигателя не увеличиваются) или изготовление специального двигателя /2,4/.

Использование фазового управления тиристорами в составе НПЧ является причиной НИЗКОГО СОБф системы в целом. Потребляемый из сети ток содержит высшие гармонические составляющие. Для совместимости тиристорного НПЧ с питающей сетью необходимо использовать ФКУ для компенсации реактивной составляющей первой гармоники тока и подавления высших гармонических составляющих /2/.

Применение же в составе НПЧ полностью управляемых ключей позволит решить ряд недостатков присущих тиристорным НПЧ в составе экскаваторного электропривода (при соответствующем алгоритме управления) и получить:

- единичный входной коэффициент мощности во всех режимах работы привода;

- высокую точность отработки заданного выходного тока. Возможность формировать практически синусоидальный ток для двигателя в широком диапазоне частот;

- более полную защиту преобразователя, так как транзистор является

полностью управляемым ключом;

- более высокое быстродействие привода.

Одноковшовые карьерные экскаваторы имеют следующие основные механизмы: подъема, напора (тяги), поворота и хода. Работа привода поворота среди основных электроприводов экскаватора занимает большее время в цикле экскавации и поэтому в значительной степени определяет производительность машины. Улучшить динамические свойства возможно с применением в составе электропривода поворота экскаватора транзисторного НПЧ. Создание преобразователя частоты по моноблочному принципу позволит повысить надежностный показатель.

В рамках данной диссертации будет рассматриваться электропривод механизма поворота шагающего экскаватора ЭШ 6/45.

Актуальность работы заключается в разработке и исследовании электропривода поворота одноковшового экскаватора по системе «транзисторный НПЧ-АД», что позволило бы осуществить переход от экскаваторного электропривода постоянного тока к частотно-регулируемому.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является улучшение динамических, энергетических и надежностных показателей ЭП поворота одноковшового экскаватора выполненного по системе «Транзисторный непосредственный преобразователь частоты - асинхронный двигатель»Для достижения поставленной цели в работе формулируются и решаются следующие научно-технические задачи:

1) разработка и исследование моделей ЭП поворота одноковшового экскаватора по системе «ПЧ - АД»;

2) исследование способа демпфирования упругих механических колебаний в трехмассовой механической системе ЭП;

3) разработка и исследование моноблочного транзисторного НПЧ;

4) разработка методики расчета цифровой системы управления;

5) исследование релейного регулятора тока.

Основные методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, теории электропривода, теории автоматического управления, методы компьютерного моделирования в программном пакете Ма1:1аЬ/81тиНпк и физического макетирования.

Достоверно