автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование модульного экскаваторного преобразователя на транзисторах IGBT

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ СЕРИЯ ЭКСКАВАТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПТЭМ-2Р.

1.1.Требования к экскаваторному электроприводу и обзор применяемых систем.

1.2.Концепция разработки вентильных преобразователей для тяжелых условий эксплуатации.

1.3.проблема перехода к системе пч - АД и пути ее решения.

1.4.модульный экскаваторный преобразователь на транзисторах IGBT.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ.

2.1. Выбор процессора для системы управления преобразователем.

2.2. Выбор способа управления.

2.3. Алгоритм работы системы управления.

2.4. Разработка и исследование системы управления.

2.4.1. Структура программы управления преобразователем.

2.4.2. Разработка схемы драйвера для управления транзисторами.

2.5. Компоновка преобразователей.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ КОММУТАЦИИ ТОКОВ В НУЛЕВОЙ СХЕМЕ ТРАНЗИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

3.1. Обзор технической информации.

3.2. Анализ процессов коммутации в см ме

3.2.1. Оценка частоты коммутации в'¿хеме: .:

3.2.2. Определение доли динамических потерь в'Силовом транзисторе.

3.2.3. Оценка коммутационных перенапряжений на транзисторах.

3.3. Рекомендации по расчету параметров схемы.

4. РАЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫХ ЭКСКАВАТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАКЕТНЫХ ОБРАЗЦОВ.

4.1. Рациональные области применения транзисторных модульных преобразователей

4.2. Лабораторные испытания системы ТрП-Д.

4.3. Лабораторные испытания системы НПЧ-АД с двухфазным двигателем.

Электрооборудование горно-обогатительных предприятий, в первую очередь, электроприводы основных механизмов экскаваторов, бурстанков, карьерного транспорта и технологических установок обогатительного производства характерны высокими требованиями к технологическим качествам, с одной стороны, и необходимостью обеспечения максимальной простоты и надежности эксплуатации, обусловленной сложными условиями работы - с другой. Комплекс противоречивых требований, предъявляемых к электрооборудованию, определяет необходимость разработки объектно-ориентированных устройств управления, обеспечивающих бесперебойную работу технологического оборудования без постоянного квалифицированного технического обслуживания.

В течение долгого времени, в группе экскаваторного электропривода кафедры АЭП МЭИ велись работы по созданию и исследованию систем электроприводов для их применения на экскаваторах. Такие системы, в основном, комплектуются тиристорными преобразователями и успешно применяются на экскаваторах ЭКГ-8, ЭШ-6/45, ЭКГ-8И, а также на других машинах. Опыт эксплуатации первых тиристорных систем показал, что применение на экскаваторах электроники создает некоторые сложности для эксплуатации, поскольку в полевых условиях работы квалифицированный технический уход не всегда возможен. Поэтому в качестве концепции при разработке тиристорных преобразователей, в группе экскаваторного электропривода, принят принцип модульности. Данная концепция была впервые реализована в серии тиристорных преобразователей ПТЭМ-1Р. Рациональная конструкция, схемотехника без подстроечных элементов обеспечивали возможность замены отказавшего блока резервным, выполняемой обслуживающим персоналом, не имеющим специальной квалификации, действующим в соответствии с инструкцией по эксплуатации машины. Таким образом, время восстановления работоспособности машины при отказе преобразователя составляет 7-15 мин.

В начале 90-х годов была начата разработка серии новых модульных экскаваторных преобразователей ПТЭМ -2Р, в которой были учтены некоторые недостатки предыдущей серии преобразователей, применена современная элементная база. В настоящее время данная разработка завершена и идет процесс внедрения новых преобразователей.

На базе тиристорных модульных преобразователей могут быть созданы и создаются системы ТП-Д, ТВ-Г-Д, НПЧ-АД. Все системы таких электроприводов могут работать в тяжелых условиях эксплуатации без квалифицированного технического ухода. Привод, комплектующийся модульными преобразователями, может работать в любых режимах во всех четырех квадрантах.

В настоящее время на экскаваторах в основном применяются системы ТП-Д, ТВ-Г-Д, которые зарекомендовали себя с хорошей стороны, причем система ТВ-Г-Д является основной. Однако, интересной и перспективной задачей, является модернизация существующих экскаваторов по системе ПЧ-АД. Применение на экскаваторах асинхронных двигателей позволит достичь большей надежности двигательной установки, грамотное управление асинхронным двигателем позволит снизить динамические нагрузки в системе, а так же за счет рациональных алгоритмов управления позволит снизить потребление электроэнергии из сети.

Безусловно, существует множество решений данной задачи и правильность того или иного решения подтвердит эксплуатация. Развитие полупроводниковой техники предоставляет нам все больше и больше возможностей для реализации различных систем управления приводами. Хорошими характеристиками для управления асинхронными приводами в четырех квадрантах обладают системы НПЧ-АД. До сих пор такие системы строились на основе тиристорных преобразователей напряжения, в таких преобразователях тиристоры работали в режиме естественной коммутации. Системы же с принудительной коммутацией тиристоров не отличались высокими показателями надежности и являлись сложными в эксплуатации. В преобразователях с естественной коммутацией тиристоров получаются неплохие характеристики систем НПЧ-АД максимум до 30 Гц, с 30 Гц возможен выход на частоту 50 Гц, однако устойчивая работа привода между этими частотами невозможна, хотя работы по преодолению данного недостатка ведутся. Кроме этого, коэффициент нагрузки или совф подобных преобразователей, как у любых тиристорных преобразователей напряжения зависит от угла открывания тиристоров.

Конечно, для управления асинхронным двигателем возможно применение преобразователя частоты со звеном постоянного тока, однако в подобном типе преобразователей присутствует двукратное преобразование электроэнергии, что существенно увеличивает потери энергии в силовых элементах преобразователя. Безусловным плюсом таких преобразователей является высокое качество формирования выходного напряжения и отсутствие ограничения по диапазону регулирования частоты.

Около 15 лет назад фирма Бюсайрус-Ири (США) выпустила на рынок серию экскаваторов-лопат с преобразователями частоты с нерегулируемым выпрямителем и мостовым инвертором с ШИМ. Специалисты Минтяжмаша СССР, однако, поработав с этим экскаватором оценили его систему электропривода отрицательно в связи с недопустимо сниженным из-за отсутствия рекуперации тормозных режимов КПД. Позже фирма заменила неуправляемый выпрямитель ведомым сетью инвертором, но существенное увеличение стоимости явилось фактором, ограничивающим спрос.

В последние годы с предложением комплекта электроприводов по системе ПЧ-АД со звеном постоянного тока для экскаваторов ЭКГ-8И и ЭКГ-10 к российским потребителям обратились фирмы ABB и Сименс. В частности, фирма ABB предложила комплект с регулируемым преобразователем на запираемых тиристорах, питающим общую сеть постоянного тока для питания приводов и инверторами на транзисторах IGBT с ШИМ. Из-за сложности системы и весьма высокой стоимости эти предложения пока интереса не вызвали.

Разработка и исследование частотно-управляемых асинхронных экскаваторных электроприводов в группе экскаваторного электропривода базируется на концепции нецелесообразности применения преобразователей частоты с двумя ступенями преобразования энергии и ориентированы на создание непосредственных преобразователей частоты из модульных преобразователей постоянного тока. Применение в НПЧ полностью управляемых ключей позволяет снять ограничение по диапазону регулирования частоты, поэтому задача построения системы НПЧ на полностью управляемых ключах, на мой взгляд, является очень интересной и перспективной проблемой. В качестве полностью управляемых ключей можно использовать транзисторы IGBT, которые обладают хорошими характеристиками и выпускаются многими фирмами, рабочие токи транзисторных модулей могут достигать 1000 А при рабочем максимальном напряжении 1200 В, существуют так же транзисторы на рабочие напряжения до 1700 В и работы по совершенствованию конструкции транзисторов постоянно ведутся. Поэтому было принято решение произвести разработку модульного транзисторного преобразователя.

Целью данной разработки является расширение функциональных возможностей модульных унифицированных тиристорных экскаваторных преобразователей серии ПТЭМ-2Р путем добавления в серийный ряд модульного преобразователя на транзисторах IGBT.

При разработке модульного транзисторного преобразователя имелось в виду, что разработанный модуль будет выполнен в рамках концепции модульности, а так же будет являться объектно-ориентированной разработкой. Разработанный преобразователь должен вписываться в те же конструктивы, в которых выполнены тиристорные преобразователи ПТЭМ-2Р. По возможности в новом преобразователе будут использоваться те же узлы, что и в серии преобразователей ПТЭМ-2Р.

В данной работе проведена разработка модульного транзисторного преобразователя на транзисторах IGBT с микропроцессорным управлением. Решены задачи по выбору принципа управления транзисторами, проработана схемотехника системы управления, разработаны алгоритмы управления, проработан конструктив преобразователя, проработаны вопросы помехоустойчивости системы управления, проведены теоретические и практические исследования процессов коммутации транзисторов и даны практические рекомендации по обеспечению надежной работы ключей, разработано программное обеспечение для управления преобразователем и проведены испытания модульного преобразователя при работе на R-L нагрузку, в системе ТрП-Д, НПЧ-АД, сделаны выводы о рациональной области применения данного преобразователя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе была выполнена разработка модульного транзисторного преобразователя с микропроцессорным управлением. Целью разработки являлось расширение функциональных возможностей модульных тиристорных преобразователей ПТЭМ-2Р.

При разработке учитывались жесткие требования к экскаваторным электроприводам, а именно: отсутствие разъемных соединений, обеспечение безналадочности пуска преобразователей, простота монтажа преобразователей, нетребовательность к периодическому квалифицированному техническому уходу.

В работе приведено описание технических решений, примененных при разработке конструкции преобразователя, программного обеспечения, алгоритмов работы, защит преобразователя. Проработаны теоретически и экспериментально вопросы по борьбе с перенапряжениями, возникающих при коммутации транзисторов, даны рекомендации по выбору коммутирующих емкостей. Проведен анализ гармонического состава как формируемых токов нагрузки, так и входных токов преобразователя.

Проведены лабораторные испытания систем ТрП-Д и системы НПЧ-АД, при этом выработаны рекомендации по рациональной области применения транзисторных преобразователей. С учетом результатов испытаний проведено их теоретическое обоснование и сделаны выводы о структурах электроприводов с применением разработанного транзисторного модульного преобразователя.

Проведенные исследования показали, что применение коммутирующих емкостей в качестве элементов предохранения от перенапряжений, является не лучшим техническим решением. Поэтому, можно сказать, что данный вопрос не является полностью решенным в данной работе. В частности для ограничения коммутационных

134 перенапряжений возможно применение ограничительных стабилитронов [12, 13]. При этом удастся избежать резонансных явлений и опережающего созф.

В результате выполнения работы были выработаны основные направления путей решения проблем помехоустойчивости и надежности работы преобразователей.

Результаты исследований показали жизнеспособность идеи создания транзисторных модульных преобразователей, доказали их бесспорное преимущество перед тиристорными преобразователями по качеству формируемых токов и диапазону регулирования частоты. Кроме того, исследования показали, что транзисторные НПЧ могут составить сильную конкуренцию системам с преобразователями частоты со звеном постоянного тока.

1. Клгочев В.И. Теория электропривода.//' учебник для ВУЗов. М., Энергоатомиздат, 1985. - 560 е., ил.

2. A.A. Булгаков Частотное управление асинхронными двигателями.//3-е перераб. Изд. -М., Энергоатомиздат, 1982. 216 е., ил.

3. В.PL Ключев Автоматизация реверсивных электроприводов (подъемно-транспортные машины) M.-JL, «Энергия», 1966. - 144 с. с черт.

4. Ключев В.И. Энергетика электропривода./Под ред. Л.В. Жильцова -М.Д4Э11 1994. 84 с.

5. М.Х. Джонс Электроника-практический курс М., Постмаркет, 1999. -528 с.

6. Ирвинг М. Готлиб Источники питания. Инверторы. Конверторы. Линейные и импульсные стабилизаторы. М., Постмаркет, 2000.- 552 с.

7. Силовые компоненты MITSUBISHI: каталог, Москва, 2001,- 80 с.

8. Э.М. Чехет, В.П. Мордач, В.Н. Соболев Непосредственные преобразователи частоты для электропривода././Киев, Наукова думка, -1988 г.

9. К. М. Поливанов Теоретические основы электротехники.// М., Энергия, 1972.-450 с.

10. Волхов A.B. Анализ электромагнитных процессов и регулирование асинхронных частотно-управляемых электроприводов с широтно-импульсной модуляцией. // Электротехника. 2001. ™ с. 11-16.

11. Волков A.B. Коэффициент мощности асинхронного электропривода с непосредственным преобразователем частоты с нгаротио-импулъсиой модуляцией. //Электротехника.- 2001,- с.23-31.

12. Э. Хабигер Электромагнитная совместимость, основы ее обеспечения б технике/пер. с нем. -М., Эиергоатомиздат, 1995,- 304с.

13. Б. Уильяме Силовая электрокика, приборы, управление, применение., справочное пособие/ перевод с аннгл. М., Эиергоатомиздат, 1982.258 с.

14. В.И. Ключев, Л.М. Миронов, С.М. Постников, A.C. Сапельников Моделирование модульного транзисторного преобразователя для электроприводов постоянного и переменного тока././ Научно-технический журнал "МГОУ-ХХ1~новые технологии".- 2000,- №3.- с.л о со

15. Сапельников A.C., Шеляховский М.А., Фомин С.А. Микрощ>оцессорная система управления преобразователями в экскаваторном исполнении.// III Международная конференция по автоматизированному электроприводу. Тез. докладов. И. Новгород.-2001,-с. 96-99.

16. Ключев В.И., Миронов Л.М., Ю.М. Сафонов, Резннковский A.M., Сапельников А. С.,Шеляховский М.А, Фомин С.А. Применение силовой электроники в электротехнике.// МНТОРЭС имени A.C. Попова, 2000.-№5.- с. 17-20.

17. Сапельников A.C. Микропроцессорная система управления модульньш транзисторным преобразователем. //Труды МЭИ.-2001.- №667.-с. 14-29. 1993 г.-240 с.

18. Заявка на изобретение № 2001129669 от 05.11.01 Н02М 5/297 Устройство управления транзисторным преобразователем с нулевой схемой выпрямления./Ключев В.И., Миронов Л.М., Сапельников A.C.,1. Шеляховский М.А.