автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка компьютерной среды поддержки проектирования электромеханической системы асинхронных электроприводов основных механизмов экскаваторов - драглайнов средней производительности

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

АБДАЛЛА ОГАР ФАТИХ РАСУЛЬ

РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ СРЕДЫ ПОДДЕРЖКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕШ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ ЭКСКАВАТОРОВ - ДРАГЛАЙНОВ СРЕДНЕЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Московского энергетического института.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Остриров В.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ЮНЬКОВ М.Г., кандидат технических наук, доцент Иржак Ю.М.

Ведущее предприятие - АО "ЭЛЕКТРОСИЛА",

г. С.Петербург

Защита состоится " " декабря 1994 г. в Цо_ час. мин. в аудитории М-214 на заседании специализированного Совета К-053.16.06 пр* Московском энергетическом институте.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет МЭИ.

I

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан ноября 1994 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета К-053.16.06 кандидат технических наук, доцент

Анчарова Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При разработке электромеханических систем экскаваторов, как и других технических объектов, четко различаются два этапа: этап принятия оптимальных технических решений и этап выпуска комплекта документации. Первый этап - наиболее ответственный и наукоемкий. Для таких сложных и дорогостоящих объектов, как горнодобывающие экскаваторы, при разработке перспективных систем главных электроприводов целесообразно применение специализированных компьютерных средств поддержки принятия оптимальных технических решений.

Сравнительный технико-экономический анализ систем электропривода, общие тенденции развития электропривода в мире свидетельствуют, что неизбежно постепенное вытеснение экскаваторных электроприводов постоянного тока частотно-регулируемыми электроприводами переменного тока с асинхронным двигателем.

Достоинства данного электропривода основываются прежде всего на известных преимуществах асинхронного двигателя с гороткозамкнутым ротором перед двигателем постоянного тока.

За последнее время одна из ведущих экскаваторостроительных фирм США BUCYRUS-ERIE выпустила серию одноковшовых экскаваторов-лопат и экскаваторов - драглайнов, оснащенных электроприводами основных механизмов по системе автономный инвертор напряжения (на гапираемых тиристорах) с широтно-импульсной модуляцией - асинхронный двигатель (АИН с ШИМ-АД) Фирмы GENERAL ELECTRIC.

Практический опыт фирмы BUCYRUS-ERIE в целей подтверждает преимущества электроприводов переменного тока и целесообразность обстоятельных системных исследований на математических моделях многосвязной электромеханической системы главных механизмов экскаватора с частотно-регулируемыми электроприводами АИН с ШИМ-АД, так как они, как минимум, помогли бы избежать затрат на модернизацию электрической схемы-силового канала, за счет оптимизции его параметров на предпроектной стадии.

Известна разработанная в МЭИ среда DragCAD, которая ориентирована на электроприводы постоянного тока.

В СНГ в настоящее время нет законченных разработок экскаваторных

а

электроприводов по системе АИН с ШИМ-АД, однако в данном направлении ведутся исследовательские работы в АО "ЭЛЕКТРОСИЛА", НИИТЯЯМАШ АО "УРАЛМАШ", МЭИ и других организациях. Создание компьютерного инструмента для автоматизции этих исследований является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка компьютерной среды для системного моделирования, исследований и оптимизации электромеханических систем глазных приводов экскаваторов-драглайнов средней производительности с электроприводами по системе АИН с ШИМ-АД.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

- разработка математической модели системы электропривода АИН с ШИЫ-АД, синтез структуры системы управления, обеспечивающей требуемые для экскаваторов статические и динам ичестсие характеристики;

- разработка математической модели энергетических процессов в многосвязной, кногодвигательной системе электроприводов;

- модернизация компьютерной среды ОгагСАБ в части упомянутых математических моделей и встроенной базы данных;

- проведение системных исследований в модернизированной Ога^АО, с целью определения оптимальных характеристик системы электроприводов, параметров основный элементов, показателей эффективности системы электроприводов и экскаватора в целом.

Методика проведения исследований. В работе применены положения теории автоматизированного электропривода, теории автоматического управления, методы математического имитационного моделирования; известные результаты теоретических иследований и их сопоставления с экспериментами, проведенными на экскаваторе ЭШ-6/45.

Моделировавние выполнено с применением ПЭВМ типа 1ВМ РС/АТ.

Научная новизна. Новизной обладает версия среды ОгаеСАО для регулируемых асинхронных электроприводов экскаваторов-драглайнов. Впервые, для данного объекта, поставлен и решен вопрос компьютерной поддержки принятия оптимальных технических решений по параметрам систем электроприводов АИН с ШИМ-АД на базе системного моделирования многосвязной электромеханической системы основных приводов экскаватора-драглайна.

Практическая ценность и реализация работы. Среда DragCAD обеспечивает автоматизации системных исследований, высокую достоверность получаемых результатов при создании перспективной для экскаваторов-драглайнов системы электропривода АИН с ШИМ-ЛД.

Квалифицированное применение DragCAD дает возможность,сократить сроки разработки, избежать оякбок при принятии основных технических решений по параметрам силовой части электроприводов и системы регулирования, существенно сэкономить затраты на доводку опытного образца экскаватора с электроприводами АИН с ШИМ-АД.

Работа доведена до уровня програзлшой среды, работающей под управлением MS DOS на IBM PC/AT, которая имеет доступный интерфейс, не требующий от пользователя специальных знаний в области программирования и вычислительной техники.

Потенциальными потребителями DragCAD являются научно-исследовательские и проектные организации заводов "УРАЛМАШ", "КРАСТЯШАШ", "ЭЛЕКТРОСИЛА" (Россия), "НКШ" (Украина) и др., ВУЗЫ.

Апробация работы. Основные положения и рссультати работы докладывались и обсуждались на заседании НТС АО "ЭЛЕКТРОСИЛА", на заседании кафедры Автоматизированного электропривода МЭИ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 76 наименований; содержит 144 страниц основного текста, 54 рисунков, 4 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены состояние и перспективы развития экскаваторного электропривода, а также средств компьютерной поддержки оптимизации технических решений при создании электрдаеханичеких систем экскаваторов.

В главе сформулированы требования к электроприводам основных механизмов экскаваторов-драглайнов, выполнен анализ применяемых систем электропривода главных механизмов, рассмотрена их спещфэдса, приведены сведения, показываюзще перспективность перехода к асинхронным частотно-регулируемым электроприводам одноковшовых экскаваторов.

В главе обоснованвывод о том, что система электропривода АИН с ШИМ-АД имеет достаточно положительных качеств, чтобы конкурировать с системами электропривода постоянного тока и системой непосредственный преобразователь частоты-асинхронный двигатель, а также о целесообразности применения в автономных инверторах напряжения - силовых модулей ЮВТ (биполярный транзистор с изолированным затвором), выпускаемых многими электротехническими компаниями мира, на которых эффективно выполнение электроприводов АИН с ШИМ-АД на мощности до нескольких сотен кВт. Приведены примеры подобных решений в электроприводах ведущих зарубежных фирм.

В главе показано, что сложность разработки, исследования и оптимизации электромеханического комплекса основных приводов одноковшового экскаватора, а также чрезвычайно высокая цена ошибочных технических решений на предпроектной стадии входят в противоречие с традиционными, по сути "ручными" методами исследования и принятия основных технических решений. Данное противоречие особенно обостряется при создании новых электромеханических систем приводов, когда нельзя применить в полной мере ранее накопленный опыт, аналогию. Как правило создание экскаватора с новой системой электропривода сопровождается в последующем рядом модернизаций на действующем опытном образце машины. Работы эти занимают долгое время и требуют значительных затрат.

Сказанное свидетельствует об актуальности создания инструмента для системного моделирования, исследования и оптимизации параметров вновь создаваемого электромеханического комплекса приводов экскаватора-драглайна.

Во второй главе выполнена постановка задач разработки и исследования.

В главе проведен краткий обзор известных универсальных компьютерных сред для математического моделирования физических объектов, а также сред для моделирования и автоматизации проектирования электроприводов и сделан вывод о значительной трудоемкости использования их в проектных организациях, в связи с универсальностью и высокими требованиями к научной подготовленности пользователя.

Отмечена научная и практическая ценность пакета прикладных программ, разработанного для оптимизации технических решений по конструктивным параметрам мощного экскаватора-драглайна, параметрам передаточ-

кчх механизмов к главных электроприводов системы генератор-двигатель, Енногнеипой в УТЯ пол руководство:! профессора Носирева М.Б.

!'с»шьютернуя поддерглу сптнгкзащгл техкячосгск регеккй прн г.сслз-досанки, анализе я про^ютрсгалкп злетарснзхеаическкх систем главных приводов одноиовповах горкодсбывакгк змскаваторов обеспечияазт разработанная в }Ш среда DrsgCAD, которая ориентировала на электроприводы постоянного тока. Ядро DragCAD состс;-? кэ снотеш прошедсих обстоятельную проверку на адекзатность математических моделей иаяипулятора экскаватора, передаточных ыеха:1из"ов, злектронеханичесгаи и электрических преобразователей, систем азтоматнчеатаго управления электроприводами, технологической среды, "iaïzг.икста", энергетических процессов. Системная оценка оптимальности пркниказдзк росеняй осугрствляется по энергетическс!*/ критерию.

В DragCAD содгряатся тзкяг все ссесекдо гадули. присущие CAD системам, предоставляет;« посьгозатегэ вовиохиость аараметретеской оптимизации, ведения Сазы дслпазх, визуализации результатов, ведения нрхива и т.д.

Среда DragCAD является не только наиболее развитей кэ известных объектно-ориентированных систем для разработки и исследований кногос-вязных электроприводов эксказатеров-драглайюв, методически продуманной и оформленной как прегргаешгл продукт, ко и киеет открытые для соискателя исходные текста.

В этой связи DragCAD выбрана в качестве прототгша для создания версии компьптериой среды оптимизации электромеханических систем зке-казатороз-дратлайноз с электроприводами по системе AJffl с Ш.!-АД, которая является целью настоящей работы.

Далее в главе выполнено краткое описание базовой среды DragCAD, выделена ее часть, касадааяся додели ма'пзгулятора экскаватора; передаточных механизмов; так называеыой модели "машиниста", фор!.етруюцей управления на командоконтроллеры приводов; модели окруяакщей среды, включая статистическую модель процесса копаяия; значительной части базы данных; интерфейса пользователя; части модулей проектирования, визуализации и архивирования результатов; монитора управления вычислительным процессом, которая иатет быть кспользозана в новой версии среды без изменений, и определены недостающие програмшгыэ модули, требующие разработки и реализации.

К этой части относятся математические модели системы многосвязных электроприводов АИН с ШИМ-АД главных механизмов, энергетических процессов в системе, модулей проектирования, включающих выбор силовых элементов системы электроприводов, таких, как электродвигатели, силовые ключи выпрямителя и инверторов автономных и ведомого сетью, фильтров, цепей сброса энергии торможения, параметров структуры систем автоматического управления электроприводами, недостающих частей встроенной в ОгаеСАЭ базы данных, изменений в модули визуализации, архивирования, интерфейса пользователя и т.д.

В рассматриваемой главе выполнен также выбор рационального способа частотного управления для асинхронных электроприводов экскаваторных механизмов. Исходным для выбора были требования к статическим и динамическим характеристикам экскаваторных электроприводов, а также стремление сохранить возможность использования отработанных в течение многих лет оптимальных структур управления экскаваторными электроприводами постоянного тока.

В этой связи нужен синтез структуры электропривода АИН с ШИМ-АД, которая имела бы раздельные каналы управления моментом и магнитным потоком двигателей, широкий диапазон регулирования скорости при постоянстве момента в первой зоне регулирования и постоянстве мощности во второй зоне регулирования скорости (при ослаблении потока), достаточную устойчивость и демпфирующие свойства.

Удовлетворить данным требованиям в полной мере может система частотно-векторного управления АД. Выбрана хорошо зарекомендовавшая себя структура электропривода ТКАЫЗУЕСТСЖ, использующая в качестве опорного вектора вектор потокосцепления ротора АД.

В итоге в главе выявлена необходимость разработки новых математических моделей для исследования электроприводов АИН с ШИМ-АД, новых программных модулей или модификации имеющихся программных модулей базовой версии ОгагСАО, проведения проверки на адекватность математических моделей и исследовании в модернизированной среде для получения научных, нетривиальных результатов и сформулированы на этой базе данные выше основные задачи исследования.

В третьей главе выполнена разработка необходимых имитационных моделей и соответствующих программных модулей Ога^АО.

Разработана математическая модель асинхронного короткозамкнутого

двигателя, которая основывается на известном математическом описании обобщенной двухфазной машины в осях, вращающихся со скоростью электромагнитного поля. Для повышения достоверности математического описания двигателя в модели учтены момент потерь и насьщение магнитной системы. В главе приведена разработанная машшшоориентнрованная методика учета насыщения.

Для проверки адекватности и универсальности модели были сняты статические, динамические и рабочие характеристики двигателей 4А132М4, 4AH315S4, MTF011-6. Ошибка моделирования по переменным составила при прямом пуске двигателей, в пиках переменных менее ±15Х, в статике на рабочем участке характеристикики не более ±ЗХ, в номинальной точке рабочих характеристик около ±ЗХ.

Синтезирована структура системы автоматического управления экскаваторным электроприводом с векторным частотныы управлением асинхронного двигателя, для чего математическое описание обобщенной машины приведено к виду:

d|Vr! # R2

---kr* R2 * Iix--* l*rl ;

dt LZ

dlix kr * R2 . Uix

---- T * hx + —;-* r?rl+ V + ~7~ '•

dt Ls*L2 Ls

dliy kr _ Ujy

--- T * Iiy--— * Pn* « * |¥r|- ^y* Iiy + —7- ;

dt Cs Ls

3

M - — * Iiy * Pn* Ifrl* kr ;

2

где : ur- частота вращения вектора потокосцепления ротора ;

, Liz Liz L12

Ls - Li + - ; kr - - ; T - ( Ri + R2 * — ) /

Lz Lz L2

-'..¡'. .L ,l> -слТ);й!шг сопротивления i: шщукгиьнсстк йбюток статора и poiG:"- Un - индуктивность; tVr |- модуль вектора потокосцеп-

pv.'-T-';; Рг.-'-'исло пар покосов;

'.чсхема сизтвш электропривода приведена на рас.1 . Ола илк; следух,г^.е блоки: дц-двигатель; и т.д.: H3i-нелинейное евспо управления ослабление« пола; НЗг-иеииюйхое ввзно ^орнирозгшкя эгккаваторасй мехаакческой характеристик!.

Злектрспркьо^м главных механизмов экскаватора по системе* АИН с DüS-ЛД с целые обеспечения наиболее коротких контуров обмена йнергией «езду собой и мишзшвацкм потоков энергии рекупергцпи с сеть вчжочени в сг.биу, йналоппшую применяемой на зкекауа^оэйл фараы BUCYRUS-ERIE, кэторзк дака на рис.2.

Недель энергетических процессов, рглрнх/татаг:) z дал ной глава, построена в соответствии со скеьгой распредечйьля потоков активном модности зла механизмов глазках сдевдоа и слгсьи'д целой преобразователей, данной на ркс.З. На схе*:е приняты сладуьаке обозначения мсснсс-гей: злактрическач Рв. тр н эяектрэдагнитиая ?ьи,-хр айвового трансформатора; электрическая вентильного преобразователя Рэ. Пр. состоящего из нерегулируемых выпрямителя (диодного) и инвертера (тнристориого); слектричеекгя Р8. звена. пт звена постоянного тага, электрическая ьвю-ko.-üftix инверторов приводов подъема Рикз.л. теги Рлиа, т' поворота Риш.а; электрическая двигателей подгьеиа Рэ.дп. тягя Рэ.дг и поворота Р.ч.дь"- электромагнитная двигателей подъема Рв«.¿л. тяги Р8М#дт и поворота механическая на валу дсигателэй подъема Рв.дп, тяги Рв.дт и поворота Рэ.дь; механическая на лебедочных барабанах подъем Ре.п. тлги и на поворотной платформе Рвр.ь; шлеаная, прилсдеккая к л:.у пригодсм подъема Рпол. п. тяги Рпол,т и поворота P;¡^.j.

3 схеме учтены все существенные потери в сйлошх канавах злектро-здддаической система: сухарные в трансформаторе ñPTP; гихоОр&здвателе /íií!poo'5. ведомом сетью; автономных инверторах подсежч и, тага £Рия. ? и поворота ¿»W э; двигателях лодгема йРдп. тяги ¿Рдг л попорота ¿1Рд»; передаточных механизмах подъема ¿P«ex.n. Т':ГИ «W.t и поворота ДРквх.8- Суммарные потери ргаоу.ты на переменные v и услоа-о по.".-ХОЯННЫ9 к потери, как это принято в теории электропривода. В «одели энергетически процессов учтены не только активные, но и полные мое-Н1>стя, что позволяет исследовать потоки реактивной мощности, рассчити-

tf- ¿Mfao/zw ¿etaroroamo /№/- sf&tnavM/v ¿/AtSt/r/ZV //¿/¡ранения

rar*

Рис.2 Функциональная схема силовой части системы электроприводов экскаватора

¿in &UJ* Л»Г ¿кииЛ'Г

А'

V,

Ж SbfAje^x

Душ Ar Зы Jkz Л&г Ai>Av

Aj An* AjU Аег

ui Iii liL

Рис.3 Схема распределения потоков активной мощности

вать потери, исходя из полной мощности.

Из приведенной схемы следует, что все существенные для анализа системы по энергетическому критерию потоки моютости учтены.

В остальном модель электромеханической системы экскаватора, включающая манипулятор, окружающую среду, "машиниста" и т.д., аналогична базовой версии DragCAD.

В четвертой главе выполнена разработка новых подсистем проектирования для DragCAD.

Рассмотрены некоторые популярные схемы трехфазных автономных инверторов напряжения с ПШМ и характеристики силовых полностью управляемых полупроводниковых ключей, проведено их сравнение для управления двигателями на напряжение 380 В мощностью до 200 кВт.

В результате сделан вывод о целесообразности применения простой мостовой схемы с шестью ключами типа IGST для каждого двигателя в отдельности. В настоящее время модули биполярных транзисторов с изолированным затвором КЗТ выпускавтся на токи до 1200А и напряжения до 1200В при номинальной частоте коммутации ШсГц.

Приведено краткое описание новых функций DragCAD, заключающихся в предоставлении пользователю возможности выбора типа асинхронных двигателей из базы данных, пошгая это делать правильно, расчета параметров элементов силовых цепей злектрприводов - трансформатора, выпрямителя, ведомого сетью инвертора (если он нужен по мнению пользователя), резисторов "слива" энергии, фильтра, ключей IGBT с учетом выбранной пользователем частоты коммутации ШИМ. Даны расчетные формулы для выбора перечисленных элементов.

Наиболее значительная работа выполнена по развитая базы данных на 50 типов двигателей. Для двигателей вносятся в базу данных следухвде каталожные данные:

Р2д - номинальная мощность на валу двигателя, кВт ;cos <? - коэффициент мощности в номинальном режиме, X ; п - КПД двигателя в номинальном режиме, 7. ; Ri, Xi, f?2, Хг, Xm - параметры Г-обрааной схемы замещения (относ.ед.); Рп - число пар полюсов; SH - номинальное скольжение; Ui -номинальное линейное напряжение статора, В ; - момент инерции двигателя, кг*м2 ; Sn - число эффективных проводников в пазу; Коб- обмоточный коэффициент; а - число параллельных ветвей обиотки фаз; Zi -число пазов статора; h - схема включения обмоток фаз статора.

В главе приведена методика синтеза систеш автоматического управления рассмотренными асинхронными электроприводами с векторзы» управлением и двухаонкьи регулированием, даны соответствующие структурно схеш к расчетные формулы.

В пятой главе рассмотрены исследования на ВгаеСАО электромеханических систем асинхронных электроприводов основных механизмов экскаватора-драглайна.

Целью исследований во вновь разработанной версии Сга£СЛП явились отладка разработанного инструмента, с одной стороны, к получение научных результатов, с другой стороны. В качестве нетривиальных, недостижимых или труднодостижимых иным путем результатов исследования явились оптимизация силовых цепей электроприводов, систем авттатического управления электроприводами, оценка эффективности электролрзшодов АИН с ШШ-АД для экскаватора-драглайна в целом с данной системой электропривода.

В качестве конкретного объекта моделирования и "шдернизации" выбран экскаватор средней производительности ЗЛ-8/45 с электроприводами Г-Д, для которого имеется сбаирный эксперкаонтальный материал.

В ВгазСАВ выполнены процедуры расчета параметров электромеханических с»:сте.м, предварительного выбора элементов силовых цепей, параметров систем автоматического управления, автоматически синтезирована комплексная юштациошая модель экскаватора, вклэчаицая в зависимости от воспроизводимых режимов все упомянутые выше модели или их часть.

Комплексная модель отлажена в опытах холостого хода и короткого зааажания для всех электроприводов, опытах перемещения ковка "по вертикали" для привода подъема, "по горизонтали" для привода тягк и "по окружности" для привода поворота. Выполнены исследования при моделировании опытов стопоренкя тяги в процессе копания и рабочих циклов экскавации.

Оценку изменения качества электромеханической системы ь целом в зависимости от характеристик электроприводов при неизменных основных параметрах конструкции экскаватора целесообразно проводить по критерию эффективности преобразования энергии НпРаоб"-

Тц

|Рвыха)№

треоб"

(1)

О

/и»! («л

о

где |Рвых(^)I - модуль мгновенной мощности, передаваемой через сеченне силового канала на его выходе, т.е. мощность, необходимая для перемещения ковша в пространстве, включая мощность разрушения породы при копании; ЛР^(Ь)-мощность потерь в 1-и элементе силового канала; п-число элементов силового канала, в которых учитываются потери.

Количественные значения критериев определяются на комплексной математической модели экскаватора, включающей все перечисленные выше математические модели, при отработке типового (паспортного) цикла экскавации. Критерий "стимулирует" принятие таких решений при варьировании любых существенных параметров объекта, которые обеспечивали бы повышение энергетической экономичности технологического процесса. В этом связи, если адекватность математических моделей обеспечена, то критерий можно считать объект ив нш.

Исследования в среде йгагСАО типового цикла для экскаватора-драглайна 5С1-6/45 с электроприводами переменного тока (двигатели подъема и тяги 4АН315ЗД, двигатели поворота 4АН280Б4, ключи КВТ в инверторах: 600А/1200В для подъема и поворота; 1000А/1200В для тяги) дали обнадеживающие результаты. На рис.4 приведены "осциллограммы" цикла экскавации ЭШ-б/45, где записаны графики изменения некоторых переменных с электроприводами переменного тока. Из графиков следует возможность качественного управления координатами электроприводов главных механизмов - обеспечение требуемых для данного экскаватора по паспорту (реализованных на действующих машинах с электроприводами постоянного тока) ра-

ц

Подъем

№ (т ; ( ; - -Т- ж — 1 : » 1 тй1"' 1А?- • г • : » | ! -¿Г

11 • ч ! ¡о 1 К ! 1 ' ! 1 1 1 ! 1 ! 1 ! 1 1 "г 1 1 1 1 1 1 I 1 * м р 1 ¡Ь -н- и -4- 1 ■ I !

¿215 Им

2,4 м/с

Тяга

I

<о

Поворот

о 5 <0 « ¿0 г! 30 35

Рис.4 "Осциллограммы" работы в типовом цикле экскавации ЗШ-6/45 электроприводов АИН с ШИМ-АД на механизмах подъема, тяги и поворота (1п,1т, 1в-сигнал выхода АЗИ;2п,2т,2в- электромагнитный момент;3п,3т- скорость каната;Зв,5в-частота вращения двигателя и ковша;4п,4т,4в- модул вектора потокосцеплений ротора;5-масса ковша;6-ток в звене пост, тока)

бочих скоростей при полном и ослабленном магнитном потоке электрических машин, ускорений, максимальных моментов, рывков.

На рис.5 приведены графики потребляемой из сети энергии и расходуемой на перемещение ковша для згсасаватора ЗП-6/45 с электроприводами АИН с ШИМ-АД и Г-Д, а такгсе график изменения тока в звене постоянного тока системы АИН с ШИМ-АД для цикла экскавации. В таблице 1 даны итоговые характеристики типового цикла экскавации при системе электропривода АИН с ШИМ-АД, основные из тк сопоставлены с характеристиками цикла экскавации при системе электропривода Г-Д.

Харатеристики цикла эксказации 311-6/45 (емкость ковша б кубометров, длина стрелы 45 метров)

Табл1ща 1

Наименование характеристик 1 Система электропривода

Г - Д 1АИН с ШИМ - АД 1

Энергетические характеристики: 1 1 1

-энергия, потребляемая из сети, кВт.час 1 3,362 1 2,914

-полезная энергия, кВт.час 1 0,775 1 0,716

-суммарная энергия потерь, кВт.час 1 2,587 1 2,194

-энергия разработки и перемещения породы. 1 1

кВт.час 1 0,576 1 0,563

-удельных расход энергии, кВт.час/кубометр 1 0,561 1 0,486

Показатели эффективности: 1 1

-потребления энергии 1 0,506 1 0,585

-преобразования энергии 1 0,364 1 0,392

-разработки и перемещения породы 1 0,183 1 0,207

Продолжительность цикла, с 1 44,7 1 42,0

Коэффициенты загрузки двигателей: 1 1

-подъема 1 0,697 1 0,711

-тяги 1 0,681 1 0,587

-поворота 1 0,96 1 0,816

Рис.5 Графики потребляемой из сети энергии и расходуемой на перемещение ковша для экскаватроа ЗШ-6/45 и график изменения тока в звене постоянного тока системы АИН с ШИМ-АД. (1-в системе АИН с ШИМ-АД;2-в системе Г-Д)

Имеется практически полное совпадение по характеру и конечному значению энергии (рис.5), расходуемой полезно в цикле экскавации, поскольку конструктивные параметры экскаватора не изменялись, категория породы и типовой цикл также одни и те же. На 152 снижаются потери энергии в системе АИН с ШИМ-АД по сравнению с Г-Д и ва счет этого снижается на 13,ЗХ потребление электроэнергии и удельный расход энергии на кубометр экскавируемой породы.

График тока в звене постоянного тока показывает при отрицательных значениях периоды рекуперации энергии в сеть через модель ведомого сетью инвертора, этот процесс отражается и на графике энергии, потребляемой из сети. Из данных кривых следует, что в паспортном (типовом) цикле экскавации рекуперация энергии составляет максимум 0,12 кВт.час при потреблении 2,914 гёЗт.час, т.е. около 42. Мгновенное значение постоянного тока при рекуперации достигает 300 А.

Приведенные цифры носят типовое значение и будут мало изменяться в рабочих циклах экскавации. В различных вспомогательных операциях экскаватора эти значения ыогут быть существенно выше, их легко получить в ОгагСАБ. Сопоставление выигрыша от дополнительной экономии энергии за счет рекуперации с капитальными и эксплуатационными затратами на инвертор и фильтро-компенсирующее устройство, средства защиты от опрокидывания инвертора позволяет сделать выбор между сбросом энергии на балластном сопротивлении или ее рекуперацией. Величины мгновенных значений токов позволяют выбрать параметры цепей сброса или рекуперации энергии, последняя операция выполняется непосредственно в ОгааСАЛ.

Кроме отмеченных выше энергетических выгод из сопоставления следует сокращение продолжительности цикла экскавации на 62, т.е. прямое увеличение производительности, обусловленное тем, что более быстродействующий электропривод переменного тока обеспечивает меньшие динамические ошибки регулирования и соответсвенно лучшее заполнение механических характеристик при тех же статических характеристиках приводов и тех же максимальных ускорениях, что и для системы Г-Д.

Повышается значение критерия эффективности преобразования энергии, свидетельствующее о более высоком качестве электропривода и показывающее, что экскаватор в целом с электроприводом переменного тока более эффективен.

Проверка в типовом цикле также подтверждает, что злектродвигат< ли, силовой трансформатор, силовые ключи и т.д. выбраны правильно.

Исследования в среде ОгаеСАО дают количественные значения досту гаемых эффектов экономии электроэнергии, снижения динамических натру зок, которые свидетельствуют о целесообразности как для производите лей, так и потребителей экскаваторной техники перехода на систем электропривода АИН с ШИМ-АД для экскаваторов-драглайнов средней проиг водительности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1.Разработана версия среды ОгагСАБ - инструмент, обеспечивают автоматизацию проведения системных исследований электромеханичесга систем экскаваторов-драглайнов с электроприводами АИН с ШИМ-АД и пp^ нятия на этой базе оптимальных технических решений на предпроектнс стадии по параметрам компонентов силовой части электроприводов, парг метрам системы управления, дающий оценку эффективности принятых реше ний по энергетическому критерию.

2.Проведенными исследованиями подтверждена адекватность имитацр онных математических моделей, внесенных в ядро данной версии ОгагСАО.

3.Исследованиями в среде ОгагСАО системы электроприводов АИН ШИМ-АД для основных механизмов экскаваторов-драглайнов средней прош водительности установлено, что по сравнению с системой электроприводе Г-Д возможно существенное снижение потребляемой электроэнерп (12-152), лучшее ограничение динамических нагрузок (коэффициент динг мичности тяги при стопорении меньше вдвое), сокращение цикла экскавации при тех же рабочих скоростях двигателей (до 5Х), а также возмеш для экскаваторов с емкостью ковша до 6мЗ применение силовых ключе 1(ЗВТ и реализация силовой части без инвертора напряжения в сеть.

ПоЛ1 шгацо к печ.тп! Л-- , .. «л

125 Тираж ¿00 Заказ Ш*

Типография МЭИ. Красноказарменная, 13.