автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Структура и алгоритмы управления регулируемым асинхронным электроприводом с обеспечением максимального быстродействия по контуру тока (момента) для горных машин

На правах рукописи

ГОРБИК Владислав Сергеевич

СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ МАКСИМАЛЬНОГО БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ПО КОНТУРУ ТОКА (МОМЕНТА) ДЛЯ

ГОРНЫХ МАШИН

Специальность 05.09.03 - Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005551876

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально -сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Козярук Анатолий Евтихиевич

Официальные оппоненты:

Шошмин Владимир Александрович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова», кафедра электропривода и электрооборудования береговых установок, профессор

Скворцов Борис Алексеевич - кандидат технических наук, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Санкт -Петербургский государственный политехнический университет»

Защита состоится 30 июня 2014 г. в 16 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, 21 линия, дом 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru

Автореферат разослан 30 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ФОКИН

диссертационного совета Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На сегодняшний день, на горных машинах преимущественно установлены системы электроприводов постоянного тока (генератор-двигатель (Г-Д), тиристорный преобразователь - двигатель (ТП-Д), транзисторный преобразователь-двигатель (ТрП-Д)), которые не отвечают современным требованиям по быстродействию, надежности, энергопотреблению, предъявляемым к механизмам горных машин. Основными недостатками систем электроприводов постоянного тока являются: наличие щеточно-коллекторного узла, большие габариты и масса двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока соответствующей мощности.

Характерным для технологического процесса горных машин являются ударные нагрузки и систематические «стопорения» рабочего органа и связных с ним элементов механизма. При «стопорениях» запасенная во всех поступательно и вращательно движущихся частях кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию упругих деформаций элементов механизма, что ведет к выходу из строя механизма, перегреву и снижению срока службы электрических двигателей. Поэтому к системам электроприводов механизмов горных машин предъявляются жесткие требования по обеспечению статических и динамических характеристик.

Системы электроприводов переменного тока с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором лишены недостатков, присущих системам электроприводов постоянного тока. Требования по быстродействию приводят к внедрению релейно-импульсных систем с алгоритмом прямого управления моментом (БТС алгоритм). БТС алгоритм основан на таблице переключений, входными сигналами которой являются выходные сигналы с релейных гистерезисных регуляторов, наличие которых объясняет переменную частоту переключений ключей инвертора, что ведет к увеличению коэффициента нелинейных искажений тока, а также - к увеличению пульсаций электромагнитного момента на валу двигателя. Поэтому разработка и создание новых алгоритмов

управления для релейно-импульсных систем является актуальной задачей.

Степень разработанности

Работа базируется на результатах исследований Рудакова В.В., Емельянова А.П., Ключева В.И., Микитченко А.Я., Чаплыгина Е.Е., Шрейнера Р.Т., Герман-Галкина С.Г. Парфенова Б.М., I. Takahashi, Т. Noguchi, М. Depenbrock.

Современным решением задачи обеспечения максимального быстродействия по контуру тока (момента) для горных машин является применение асинхронного электропривода с векторным алгоритмом управления, существенным недостатком которого является большой объем вычислений при прямом и обратном преобразовании координат, наличие запаздывания в формировании электромагнитного момента, обусловленное ограничением быстродействия регуляторов тока. При этом, не был рассмотрен вопрос применения релейно-импульсных систем с алгоритмами, обеспечивающими показатели электромагнитной и электромеханической совместимости.

Целью работы является обеспечение максимального быстродействия по контуру момента и улучшение энергетических показателей асинхронного электропривода за счет совершенствования алгоритмов управления асинхронным электроприводом.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Разработка математической модели регулируемого асинхронного электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления.

2. Экспериментальные исследования на лабораторном стенде асинхронного двигателя, управляемого преобразователем частоты с алгоритмом прямого управления моментом (DTC). Оценка адекватности математической модели реальному объекту.

3. Теоретические и экспериментальные исследования типовых режимов работы горных механизмов на разработанной математической модели.

4. Выдача рекомендаций по проектированию систем автоматического управления (САУ) с максимальным быстродействием по контуру тока для горных механизмов.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы: положения теории систем управления электроприводов, методы компьютерного моделирования.

Экспериментальные данные получены в лаборатории кафедры «электротехники, электроэнергетики, электромеханики» Горного университета.

Научная новизна:

1. Показано что релейно-импульсные системы обеспечивают максимальное быстродействие по контуру тока (момента), требуемое для обеспечения высокопроизводительной работы и ограничения нагрузок механического и электрического оборудования главных механизмов горных машин;

2. Разработана усовершенствованная математическая модель регулируемого асинхронного электропривода, позволяющая анализировать энергетические характеристики электропривода и обеспечивающая выбор алгоритма САУ с максимальным быстродействием по контуру тока (момента) и требуемые показатели качества напряжения и тока электродвигателя.

Защищаемые научные положения:

¡.Усовершенствованная математическая модель

регулируемого асинхронного электропривода позволяет анализировать энергетические характеристики электропривода и осуществить выбор алгоритма САУ с максимальным быстродействием по контуру тока (момента) и обеспечением требуемых показателей качества электромагнитной и электромеханической совместимости.

2. Релейно-импульсные системы обеспечивают максимальное быстродействие но контуру тока (момента), требуемое для обеспечения высокопроизводительной работы и ограничения нагрузок механического и электрического оборудования главных механизмов горных машин.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов, теоретических положений подтверждается математическим моделированием и экспериментальным исследованием.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

1. Системы управления регулируемым асинхронным электроприводом, обеспечивающей максимальное быстродействие по контуру тока (момента) и удовлетворительные энергетические показатели;

2. Математической модели асинхронного электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались на международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт - Петербург, Горный университет, 2012 г.), IX международной научно-технической конференции «Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии» (Омск, ОмГУПС, 2013 г.), XIX международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» (Украина, Кременчуг, 2012 г.).

Личный вклад автора:

1. Исследование алгоритмов управления электроприводом для механизмов горных машин с высокими динамическими характеристиками.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование обеспечения максимального быстродействия при использовании релейно-импульсных регуляторов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 86 наименований, содержит 39 рисунков и 13 таблиц. Общий объем работы - 116 страниц.

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и идея работы, а также научная ценность и задачи исследования.

В первой главе проведен анализ применяемых современных типов электроприводов, требований, предъявляемых к системам электроприводов механизмов горных машин.

Во второй главе представлено математическое описание электропривода с асинхронным двигателем, двухуровневым инвертором напряжения, применяемые для исследования вопросов быстродействия, обеспечения показателей электромеханической и электромагнитной совместимости.

В третьей главе представлено описание лабораторных исследований рабочих режимов асинхронного электропривода с алгоритмом прямого управления моментом, приведены результаты анализа динамических режимов, выполнена математическая модель асинхронного электропривода и доказана ее адекватность.

В четвертой главе представлена математическая модель асинхронного электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления. На модели исследованы характерные режимы работы для механизмов горных машин.

В пятой главе выполнено исследование механизма подъема экскаватора с асинхронным электроприводом с применением алгоритма прямого управления моментом с пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией.

В заключении отражены выводы и рекомендации по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Усовершенствованная математическая модель регулируемого асинхронного электропривода позволяет анализировать энергетические характеристики электропривода и осуществить выбор алгоритма САУ с максимальным быстродействием по контуру тока (момента) и обеспечением требуемых показателей качества электромагнитной и электромеханической совместимости.

Расчетная схема математической модели структуры «преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ - АД)» представлена на рисунке 1. Моделирование двухуровнего автономного инвертора напряжения (АИН) выполнено с разделением на подсхемы, взаимосвязанные зависимыми источниками напряжения игс и тока /с (рисунок 2), при следующих допущениях: вентили (транзисторы и диоды) являются идеальными ключами; каждые два транзистора, подключенные к одной фазе нагрузки, работают в противофазе. Состояния транзисторов описываются функциями кш. В схеме, кроме параметров, указанных на рис. 1, учтено активное сопротивление активное

сопротивление гс в конденсаторе. Параллельно конденсатору включена цепь защиты от перенапряжений с активным сопротивлением г:, транзистором кя и током /-.

га к

1<н

Ф

1к

Цк

т

п

1с

±С

Гс

и*

кн ки кв

А Ж ¡1

111 ла Ь п

иг

из ш 5з

ш 'к

АД

га Ь

Рисунок 1 - Расчетная схема ПЧ - АД

11л:

Ф гк

О

Г! Ь.1 СИ-"""!

из ь Л,

Г! 1,1

ск^

Рисунок 2 - Разделение схемы АИН на подсхемы

8

При моделировании схемы на каждом шаге расчета At определяется напряжение емкости ис, и ветвь с конденсатором заменяется зависимым источником напряжения агс

Uc=Uc+—,Urc=Uc + lcrc. (1)

Фазные ЭДС инвертора еп = kinurc. (2)

Уравнения для определения токов нагрузки и токи в плечах транзисторного моста ^ = u"~r"'n. ¿¿„ = kinin, п = (1,2,3 ... 6). (3)

at 1п

Такое разделение на подсхемы позволяет рассчитать и вывести на осциллограф токи и напряжения, питающие асинхронный двигатель; встроенными функциями Matlab/Simulink разложить полученные осциллограммы в ряд Фурье и выполнить анализ энергетических показателей выходных величин.

Описание асинхронного двигателя выполнено при разделении его на подсхемы, взаимосвязанные через зависимые источники напряжения и тока (рисунок 3). Статорная обмотка описана в фазных осях при следующих обозначениях: п - номер фазы (п= 1,2,3); и„ - напряжения фаз, /„ - токи фаз. В подсхемах статорных обмоток в качестве зависимых источников учтены фазные ЭДС е„ (обусловленные магнитным потоком в зазоре), а также ЭДС взаимной индукции фаз по путям рассеяния esn. Учтены индуктивности фаз ls¡ и активные сопротивления r¡.

Роторные контуры описаны во взаимно перпендикулярных осях d и q, неподвижных относительно ротора. В подсхемах роторных контуров по осям d и q в качестве зависимых источников учтены токи реакции якоря id и iq. Учтены индуктивность намагничивания 1т, активное сопротивление цепи намагничивания гт, индуктивность рассеяния обмотки ротора ls2 и активное сопротивление обмотки ротора г.

При решении уравнений, введены коэффициенты сп = eos [у (п - 1)], sn = sin (п - 1)]. (4)

Статарные обмотки описываются уравнениями

тг = + ~ип-щп + ist%), (5)

где lst - стабилизирующая индуктивность.

(Я)

Рисунок - 3 Подсхемы асинхронного двигателя: (а) - статор, (б) -

ротор

где со - частота вращения ротора, т - угол поворота оси d ротора относительно оси а.

Взаимное влияние фаз по путям рассеяния и токи реакции якоря определяются при использовании следующих переменных

día _ 2V3 din С

dt ~ 3Ln=lCn dt ' dt ~~ 3Ln=lSn dt ■ W

ЭДС взаимной индукции фаз статорных обмоток по путям рассеяния eS7l = isd^i^ ■ (7)

Токи реакции якоря по осям а и /? определены по формулам

¿a = з £п=1 сп i-П' i/3 = з Sn=1 sn in- (8)

Переход для токов реакции якоря к осям duq осуществляется по формулам i¿ = ia cos т + ip sin т, iq = ia sin т — ip eos т. (9)

Производные токов реакции якоря по осям duq

did dia , dip . . din día ■ , . /-irv\

— = — COST 4—-sin г — со ■ inl— = — sinr---COST + O) • la. (10)

dt dt dt 4' dt dt dt q \ J

Проекции ЭДС на оси d и q определяется по формулам

e¿ = -Im (íaqM + ,eq = lm (¿ad^ ~ ^f )■ U1)

ЭДС по осям аир зависит от угла т в соответствии с формулами еа = ed cos г + eq sin т, ер = ed sin т — eq cos т. (12)

ЭДС зависимых источников в фазах обмоток статора

еп = еасп + epsn. (12)

Токи роторных контуров по осям d и q определяются

1 • • ^¿п

digq _ Ls2-Jf-rmlad+r2l2d diaq _ 1в2-^-Гт1ад+Г212д dt lm+ls2 ' dt lm + ls2 ' ^ l2d — ld ~ lad < l2q = lq ~ laq-

Частота вращения при моменте инерции J определяется электромагнитным вращающим моментом Мм„

противодействующим моментом на валу Мс, и моментом потерь Мр

^ = Цмс-Мэм-Мр). (14)

Момент потерь Мр, учитывающий механические потери и потери в железе рассчитан согласно формуле

м _ APMexfJ2 , APCTHto13 (iam \ р ~~ шз ш2'3 и

шн н 41атн'

где ДРмех — мощность механических потерь в номинальном режиме, ДРстн - мощность потерь энергии с стали в номинальном режиме, iam — ток намагничивания, определяемый по

формуле iam = Jiad2 + iaq2. (16)

На основе представленных уравнений построена математическая модель системы ПЧ (АМН) - АД в программе Matlab/Simulink. Для оценки адекватности математической модели реальному объекту, было выполнено экспериментальное исследование асинхронного электропривода с преобразователем частоты ABB ACS 600 и асинхронным двигателем в лаборатории кафедры «Электротехники, электроэнергетики, электромеханики» Горного университета, а также имитационное моделирование на разработанной модели с DTC алгоритмом управления. Объектом исследования является двигатель АИР71В4 с номинальными параметрами: мощность - 0,75 кВт; частота вращения ротора - 1350 об/мин; ток статора при питании от трехфазной сети переменного напряжения 380 В, 50 Гц - 1,9 А; КПД - 0,72. На рисунках 4, 5 представлены осциллограммы тока статора, полученные на

лабораторной установке и при математическом моделировании соответственно.

ПА]

4......; 4

Рисунок 4 - Осциллограмма тока статора АД с ОТС алгоритмом управления, полученная на лабораторной установке при пуске, установившемся режиме, торможении

6 МА]

5

4 3

2\ 1 1 0 1 Ллм ||1111)|11|!11

1/М111 .0.5 1 ,1.5 ,2 ¡т [с]

Рисунок 5 - Осциллограмма тока статора АД с ПТС алгоритмом управления, полученная при математическом моделировании при пуске, установившемся режиме, торможении На разработанной математической модели регулируемого асинхронного электропривода были исследованы и сравнены высокодинамичные алгоритмы управления. Для исследования был выбран асинхронный двигатель АИР355Б8 номинальной мощностью 132 кВт. Мощность данного двигателя соответствует мощности привода подъема и напора карьерных экскаваторов. На рисунках 6, 7 представлены осциллограммы электромагнитного момента, тока

статора соответственно, полученные в результате моделирования: при векторном алгоритме управления (а), при алгоритме прямого управления моментом (б), при алгоритме прямого управления моментом с пространственно - векторной модуляцией (в).

Рисунок - 6 Осциллограммы электромагнитного момента асинхронного

! т Ьэо Л Л. /V; Л.ДЖ Л Л А \ \ '> Л Л Л Л / ...............

V V V V V / V V [У V/ 'М

ААДА^ч^

! л А Л /" Л Л Л

л д; л

4 и

Рисунок 7 - Осциллограммы тока статора асинхронного электропривода при различных алгоритмах управления

При векторном алгоритме управления формирование напряжения обеспечивается путем метода синусоидальной ШИМ. При этом, коэффициент нелинейных искажений тока статора (THD

- Total Harmonic Distortion) в установившемся режиме работы составил 3 %.

При DTC алгоритме формирование напряжение происходит с переменной частотой переключения ключей инвертора. Коэффициент THD в установившемся режиме работы составил 6 %.

Применение пространственно-векторной модуляции в DTC алгоритме обеспечило значение коэффициента THD не более 3,6 %.

2. РелейнО'1шпульсные системы обеспечивают максимальное быстродействие по контуру тока (момента), требуемое для обеспечения высокопроизводительной работы и ограничения нагрузок механического и электрического оборудования главных механизмов горных машин.

В горной промышленности существует ряд механизмов, к электроприводам которых предъявляются высокие требования по статическим и, особенно, динамическим характеристикам. Системы электроприводов для таких механизмов синтезируются с условием обеспечения максимального быстродействия по контуру тока (момента), так как для этих механизмов характерны следующие условия работы:

- циклический характер работы в напряженном повторно-кратковременном режиме с частыми пусками, реверсами и торможениями,

-широкий диапазон изменения и существенная несимметрия статических нагрузок относительно направления движения, обусловленные активным моментом нагрузки, взаимовлиянием приводов и случайным характером нагружения,

- систематические «стопорения», которые в рабочем процессе носят случайный характер и которыми завершается процесс практически в каждом цикле.

Применение релейно-импульсных алгоритмов управления позволяет добиться максимального быстродействия по контуру тока (момента), время реакции составляет 5-10 мс. Алгоритм прямого

управления моментом (ЭТС алгоритм) основан на таблице переключений, входными сигналами которой являются выходы с релейных регуляторов потокосцепления и момента, а также сигнал углового положения вектора потокосцепления статора. На основании этих сигналов выбирается комбинация состояний ключей инвертора, при которой будет сформирован базовый вектор напряжения, минимизирующий отклонение от заданных значений. При питании АД от инвертора напряжения в зависимости от состояния ключей возможно формирование восьми базовых векторов (рисунок 8 а,б).

+и,

I I кг

Ь\

-К,

-'б

-СПН-^^-

а) б)

Рисунок 8 - Функциональная схема инвертора с АД (а), базовые пространственные векторы при БТС алгоритме (б)

В результате работы системы модуль потокосцепления статора и электромагнитный момент АД постоянно находятся в зоне допустимого отклонения от заданного значения, определяемого величиной гистерезиса соответствующего регулятора. Выбор базового вектора, минимизирующего ошибку регулируемых величин в за-висимости от сектора, в котором в данный момент находится вектор, производится с помощью таблицы переключений.

Применение релейных регуляторов обеспечивает высокое быстродействие формирования вектора напряжения, при этом табличный алгоритм управления определяет переменную частоту

коммутации и, как следствие, несинусоидальную форму напряжения на выходе инвертора.

Устранение недостатков алгоритма прямого управления моментом достигается путем применения метода пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции (ПВМ) для управления ключами инвертора, питающего асинхронный двигатель (АД). Алгоритм ПВМ основан на формировании на каждом временном интервале требуемого положения вектора напряжения в пространстве (рисунок 9,а).

а) б)

Рисунок 9 - Базовые пространственные векторы при ПВМ (а), результирующий пространственный вектор (б)

Формирование вектора напряжения и* с заданным значением модуля |и*| и пространственного угла <р производится поочередным формированием базовых векторов, образующих границы сектора, в котором находится результирующий вектор, и нулевого вектора (рисунок 9,6). Базовые вектора образуются путем замыкания определенных комбинаций ключей инвертора. На первом интервале Д^ = t1 — tQ формируется вектор Н/ путем замыкания ключей 1-4-6 (рисунок 10), на втором интервале М2 = Ь2 — ^ - вектор и2 путем замыкания ключей 1-3-6, далее на интервале Дtз замыкаются ключи

1-3-5, образующие нулевой вектор. Модуль ненулевого вектора |u| = U0 = ~Ud, Ud — напряжение источника питания. Средние значения граничных векторов равны

Рисунок 10 - Временная диаграмма формирования вектора

напряжения

Исследование на разработанной математической модели показало, что электропривод с DTC алгоритмом отрабатывает задание по контуру момента за время не более 30 мс (рисунок 11,6). Табличный алгоритм выбора результирующего вектора напряжения, а также использование релейных гистерезисных регуляторов обуславливают переменную частоту переключения ключей инвертора. Как следствие, пульсации электромагнитного момента на валу двигателя, составляют 10-12 % от задания.

Алгоритм векторного управления АД обеспечивает быстродействие по контуру момента заметно ниже, чем DTC алгоритм. Время отработки задания по контуру момента составляет от 100 до 200 мс, при этом, пульсации электромагнитного момента составляют 3 %.

Применение пространственно-векторной модуляции в DTC алгоритме обеспечило наименьшие пульсации электромагнитного момента, которые составили 3,5 %.

Af, At2 А Г3 t *о t, Г2

tz - ti Umdt = Um—-—

(б)

1000 1.............

М,[Н*.и1 / I

500 1 1 и

/ ' 1 : 1

0 ,0.2 0.4 0.6 0.8 :1 и

(В)

Рисунок - 11 Осцилограмма электромагнитного момента АД с векторным алгоритмом управления (а), ГЗТС алгоритмом управления (б), БТС алгоритмом управления с ПВМ (в) при пуске, набросе (сбросе) нагрузки. 18

Сравнение показателей электромеханической и электромагнитной совместимости представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнение высокодинамичных алгоритмов управления асинхронным электроприводом

Критерий сравнения Алгоритм управления

Векторное управление ОТС алгоритм ОТС алгоритм с ПВМ

Динамическая реакция на нагрузку 100 -s- 200 мс 10-^30 мс 10 ч- 30 мс

Пульсации электромагнитного момента АД 2 -í- 5 % 8-11% 3^-5%

Коэффициент нелинейных искажений тока 3,5 н- 3,7 % 5 г 7 % 3 -н 5 %

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, в которой приведены теоретические и экспериментальные положения, представляющие совокупность научно-технических решений задачи обеспечения максимального быстродействия по контуру тока (момента) асинхронного электропривода путем разработки и применения релейно - импульсной системы управления.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обосновано ' применение релейно-импульсных систем, обеспечивающих максимальное быстродействие по контуру тока (момента) за счет применения гистерезисных релейных регуляторов, табличных алгоритмов;

2. Разработана математическая модель регулируемого асинхронного электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления;

3. Выполнены экспериментальные исследования режимов работы асинхронного двигателя, управляемого преобразователем

частоты с алгоритмом прямого управления моментом на лабораторном стенде, доказывающие адекватность разработанной математической модели;

4. Обосновано применение метода пространственно- векторной широтно-импульсной модуляции, позволяющего снизить коэффициент нелинейных искажений тока, а также уменьшить пульсации электромагнитного момента асинхронного электропривода с алгоритмом прямого управления моментом при типовых режимах работы механизмов горных машин.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Научные статьи, опубликованные в изданиях ВАК:

1. Горбик, B.C. Моделирование и сравнение работы асинхронного электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления / B.C. Горбик, Б.А. Момот // Горный информационно-аналитический бюллетень. - Москва. - 2014. -№1. с. 375-380.

2. Горбик, B.C. Сравнение различных схем выпрямления в составе электроприводов переменного тока / B.C. Горбик, Б.А. Момот // Естественные и технические науки. - Москва. - 2014. - №1. - С. 335-338.

Публикации в других изданиях

3. Горбик, B.C. Структура и алгоритмы управления регулируемым асинхронным электроприводом с обеспечением максимального быстродействия по контуру тока (момента) / B.C. Горбик // Електромехашчш i енергозбер1гаюч1 системи,- Украина.-Кременчуг,- 2012,- С.373-374

4. Горбик, B.C. Асинхронный высокодинамичный электропривод для горных машин и механизмов / B.C. Горбик // Международная заочная научно-практическая конференция: матер, конф. - СПб.- 2013.- С. 91-94

5. Горбик, B.C. Исследование ЭМС асинхронного электропривода с DTC алгоритмом управления при питании инвертора от активного выпрямителя с питающей сетью / B.C. Горбик, Б.А. Момот // IX международная научно-техническая конференция: матер, конф. — Омск,- 2013.-С. 332-341

20

РИЦ Горного университета. 29.04.2014. 3.361. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ МАКСИМАЛЬНОГО БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ПО КОНТУРУ ТОКА (МОМЕНТА) ДЛЯ ГОРНЫХ МАШИН

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

На правах рукописи

04201 4601 43

ГОРБИК Владислав Сергеевич

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор технических наук, профессор А.Е. Козярук

Санкт-Петербург - 2014

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................5

ГЛАВА 1 СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ГЛАВНЫХ МЕХАНИЗМОВ ГОРНЫХ МАШИН.......10

1Л Современное состояние регулируемого электропривода механизмов горных машин............................................................................................................10

1.2 Современное состояние бесконтактного асинхронного электропривода горных машин............................................................................................................15

1.3 Выводы к главе 1.......................................................................................20

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.................................................................................................21

2.1 Особенности моделирования и анализа структуры асинхронного электропривода..........................................................................................................21

2.2 Математическое описание двухуровнего автономного инвертора напряжения.................................................................................................................23

2.3 Математическое описание асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.....................................................................................25

2.4 Высокодинамичные алгоритмы управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором...................................................................................29

2.4.1 Алгоритм векторного управления..................................................29

2.4.2 Алгоритм прямого управление моментом.....................................33

2.5 Системы автоматического управления автономным инвертором напряжения.................................................................................................................42

2.5.1 Широтно - импульсная модуляция................................................42

2.5.2 11ространственно-векторная модуляция........................................46

2.6 Выводы к главе 2.......................................................................................51

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С РАЗРЫВНЫМИ АЛГОРИТМАМИ УПРАВЛЕНИЯ ..52

3.1 Описание лабораторной установки.........................................................52

3.2 Описание проведения измерений и получения осциллограмм токов в различных режимах...................................................................................................58

3.3 Описание математической модели асинхронного привода с...............60

ЭТС алгоритмом управления.........................................................................60

3.4 Адекватность математической модели реальному объекту.................64

3.5 Выводы к главе 3....................................................................................72

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ВЫСОКО ДИНАМИЧНЫМИ АЛГОРИТМАМИ УПРАВЛЕНИЯ......................73

4.1 Выбор объекта регулирования.................................................................73

4.2 Математическая модель асинхронного электропривода с векторным алгоритмом управления с ШИМ..............................................................................75

4.3 Математическая модель асинхронного электропривода с ЭТС алгоритмом управления с переменной частотой переключения ключей инвертора....................................................................................................................78

4.5 Сравнение высокодинамичных алгоритмов управления по результатам моделирования...........................................................................................................82

4.6 Выводы к главе 4....................................................................................86

ГЛАВА 5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ЭТС АЛГОРИТМОМ УПРАВЛЕНИЯ В СОСТАВЕ ГОРНОЙ МАШИНЫ...............87

5 Л Описание объекта регулирования............................................................87

5.2 Исходные данные для построения математической модели механизма подъема.......................................................................................................................89

5.3 Математическая модель механизма подъема экскаватора...................93

5.4 Выводы к главе 5.....................................................................................102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................103

Список литературы........................................................................................104

Приложение А................................................................................................113

Приложение Б................................................................................................116

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Па сегодняшний день, па горных машинах преимущественно установлены системы электроприводов постоянного тока (генератор-двигатель (Г-Д), тиристорный преобразователь - двигатель (ТП-Д), транзисторный преобразователь-двигатель (ТрП-Д)), которые не отвечают современным требованиям по быстродействию, надежности, энергопотреблению, предъявляемым к механизмам горных машин. Основными недостатками систем электроприводов постоянного тока являются: наличие щеточно-коллекторпого узла, большие габариты и масса двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока соответствующей мощности.

Характерным для технологического процесса горных машин являются ударные нагрузки и систематические «стопорения» рабочего органа и связанных с ним элементов механизма. При «стопорениях» запасенная во всех поступательно и вращательно движущихся частях кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию упругих деформаций элементов механизма, что ведет к выходу из строя механизма, перегреву и снижению срока службы электрических двигателей. Поэтому к системахм электроприводов механизмов горных машин предъявляются жесткие требования по обеспечению статических и динамических характеристик.

Системы электроприводов переменного тока с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором лишены недостатков, присущих системам электроприводов постоянного тока. Требования по быстродействию приводят к внедрению релейно-импульсных систем с алгоритмом прямого управления моментом (БТС алгоритм). ОТС алгоритм основан на таблице переключений, входными сигналами которой являются выходные сигналы с релейных гистерезисных регуляторов, наличие которых объясняет переменную частоту переключений ключей инвертора, что ведет к увеличению коэффициента

нелинейных искажений тока, а также - к увеличению пульсаций электромагнитного момента на валу двигателя. Поэтому разработка и создание новых алгоритмов управления для релейно-импульсных систем является актуальной задачей.

Работа базируется на результатах исследований Рудакова В.В., Емельянова А.П., Ключева В.И., Микитченко А.Я., Чаплыгина Е.Е., Шрейнера Р.Т., Герман-Галкина С.Г. Парфенова Б.М., I. Takahashi, Т. Noguchi, М. Depenbrock.

Цель диссертационной работы

Обеспечение максимального быстродействия по контуру момента и улучшение энергетических показателей асинхронного электропривода за счет совершенствования алгоритмов управления асинхронным электроприводом.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Разработка математической модели регулируемого асинхронного электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления.

2. Экспериментальные исследования на лабораторном стенде. Получение кривых тока статора асинхронного двигателя, управляемого преобразователем частоты с алгоритмом прямого управления моментом (DTC). Оценка адекватности ¿математической модели реальному объекту.

3. Теоретические и экспериментальные исследования типовых режимов работы горных механизмов на разработанной математической модели.

4. Выдача рекомендаций по проектированию САУ с максимальным быстродействием по контуру тока для горных механизмов.

Методы исследований

При решении поставленных задач использованы: положения теории систем управления электроприводов, методы компьютерного моделирования (Matlab/Simulink).

Экспериментальные данные получены в лаборатории кафедры «электротехники, электроэнергетики, электромеханики» Национального минерально - сырьевого университета «Горный».

Научная новизна:

1. Показано что релейно-импульсные системы обеспечивают максимальное быстродействие по контуру тока (момента), требуемое для обеспечения высокопроизводительной работы и ограничения нагрузок механического и электрического оборудования главных механизмов горных машин;

2. Разработана усовершенствованная математическая модель регулируемого асинхронного электропривода, позволяющая анализировать энергетические характеристики электропривода и обеспечивающая выбор алгоритма САУ с максимальным быстродействием по контуру тока (момента) и требуемые показатели качества напряжения и тока электродвигателя.

Защищаемые научные положения:

1. Усовершенствованная математическая модель регулируемого асинхронного электропривода позволяет анализировать энергетические характеристики электропривода и обеспечивает выбор алгоритма САУ с максимальным быстродействием по контуру тока (момента) и обеспечением требуемых показателей качества электромагнитной и электромеханической совместимости.

2. Релейно-импульсные системы обеспечивают максимальное быстродействие по контуру тока (момента), требуемое для обеспечения

высокопроизводительной работы и ограничения нагрузок механического и электрического оборудования главных механизмов горных машин.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов, теоретических положений подтверждается математическим моделированием и экспериментальными исследованиями.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

1. Системы управления регулируемым асинхронным электроприводом, обеспечивающей максимальное быстродействие по контуру тока (момента) и удовлетворительные энергетические показатели;

2. Математической модели асинхронного электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления.

Апробация работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались на международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт - Петербург, Национальный минерально - сырьевой университет «Горный», 2012 г.), IX международной научно-технической конференции «Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии» (Омск, ОмГУПС, 2013), XIX международной научно-технической конференции «Проблемы

автоматизированного электропривода. Теория и практика» (Украина, Кременчуг, 2012г.), международной заочной научно-практической конференции (Санкт-Петербург, Институт проектного менеджмента, 2013 г.)

Личный вклад автора:

1. Исследование алгоритмов управления электроприводом для механизмов горных машин с высокими динамическими характеристиками.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование обеспечения максимального быстродействия при использовании рслейно-импульсных регуляторов.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 86 наименований, содержит 39 рисунков и 13 таблиц. Общий объем работы - 116 страниц.

ГЛАВА 1 СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ГЛАВНЫХ МЕХАНИЗМОВ ГОРНЫХ МАШИН

1.1 Современное состояние регулируемого электропривода

механизмов горных машин

Горные машины являются одним из главных звеньев в технологической цепи добычи полезных ископаемых. При добыче используются одноковшовые экскаваторы, роторные экскаваторы, буровые станки, ленточные конвейеры.

Главные рабочие механизмы горных машин, выполняющие функции разрушения и перемещения горных пород, оснащены регулируемым электроприводом и условно группируются по типам: лебедочные (подъем, напор, тяга и т.д.), опорно- поворотные (механизмы поворота), ходовые гусеничные, ходовые шагающие, вращение бурового става, конвейеры.

На сегодняшний день, на горных машинах преимущественно установлены системы электроприводов постоянного тока (генератор-двигатель (Г-Д), тиристорный преобразователь - двигатель (ТП-Д)), которые отличаются высоким энергопотреблением (0,5-0,6 кВт*ч/мЗ для систем ТП-Д, 0,9-1,1 кВт*ч/мЗ для систем Г-Д). Постоянный рост цен на энергоносители, рост энергоемких технологий, возрастающая сложность получения электроэнергии и цена на нее определяют необходимость экономии электроэнергии. Также растут требования к качеству выполнения технологических операций, повышению надежности и производительности горных машин. В связи с этим увеличивается доля систем электроприводов переменного тока с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (АДКЗР). Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет ряд преимуществ по сравнению с двигателями постоянного тока: простота конструкции, меньшие габариты и масса, повышенная надежность, отсутствие щеточно-коллекторного узла. [38]

В горной промышленности существует ряд механизмов, к электроприводам которых предъявляются высокие требования по статическим и, особенно, динамическим характеристикам. Примерами таких механизмов являются: буровые станки, главные механизмы экскаваторов, автосамосвалы. Для этих механизмов характерны следующие условия работы:

циклический характер работы в напряженном повторно-кратковременном режиме с час тыми иусками, реверсами и торможениями;

-механизмы являются многомассовыми с упругими кинематическими связями (канаты обладают наименьшей жесткостью); управляющие или возмущающие воздействия вызывают слабо затухающие колебания упруго связанных масс;

-широкий диапазон изменения и существенная несимметрия статических нагрузок относительно направления движения, обусловленные активным моментом нагрузки, взаимовлиянием приводов и случайным характером нагружения;

- наличие в рабочем цикле продолжительных этапов «удержания», в течение которых привод должен работать со скоростью, близкой к нулю, развивая па валу значительный момент;

- систематические «стопорения», которые в рабочем процессе носят случайный характер и которыми завершается процесс практически в каждом цикле;

- значительный приведенный к валу двигателя момент инерции вращающихся частей горной машины, в 5-10 (иногда более) раз превышающий суммарный момент инерции двигателей; механизм работает преимущественно в переходных режимах;

- существенные изменения суммарного момента инерции. [38,86]

На сегодняшний день, на многих предприятиях идет техническое перевооружение. Техника изношена на 70% и более, электротехнические системы горных машин не отвечают современным требованиям надежности,

энергосбережения, производительности. Наблюдается тенденция к увеличению единичной производительности горных машин за счет увеличения массогабаритных показателей, предприятия заказывают экскаваторы с большими объемами ковшей, автосамосвалы с предельной грузоподъемностью. [381

Ниже приведены основные типы применяемых систем электроприводов для горных машин.

Системы электроприводов главных механизмов

Асинхронный привод Привод постоянного тока

Система Г-Д Система ТП-Д Система ТрП-Д

Системы электроприводов постоянного тока являются устаревшими и требуют замены. Система генератор - двигатель (система Г-Д) - классический экскаваторный привод постоянного тока. Возбудитель генератора может быть выполнен как на полупроводниковых коммутаторах, так и на магнитных усилителях. Система ТП-Д — экскаваторный привод постоянного тока тиристорный преобразователь-двигатель. Система ТрП-Д - экскаваторный привод по система транзисторный преобразователь - двигатель постоянного тока. Главными недостатками систем электроприводов постоянного тока являются: наличие щеточно-коллекторного узла, большие габариты и масса двигателей постоянного тока по сравнению с асинхронными двигателями сопоставимой мощности, высоким энергопотреблением. [38,86]

Характерным для технологического процесса таких машин как карьерные экскаваторы, буровые станки, очистные и проходческие комбайны является

режим «стопорсния», когда рабочий орган горной машины сталкивается с непреодолимым препятствием. Результатом столкновения является полная остановка рабочего органа и связанных с ним узлов и деталей механизма, в том числе и электрических двигателей. Запасенная во всех поступательно и вращательно движущихся частях кинетическая энергия при быстрой остановке переходит в основном в потенциальную энергию упругих деформаций элементов механизма. Со стороны электропривода режим «стопорсния» влечет к мгновенному увеличению развиваемого движущего момента, что со�