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

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

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

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор технических наук, профессор А.Е. Козярук Санкт-Петербург – Оглавление ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ГЛАВНЫХ МЕХАНИЗМОВ ГОРНЫХ МАШИН...... 1.1 Современное состояние регулируемого электропривода механизмов горных машин

1.2 Современное состояние бесконтактного асинхронного электропривода горных машин

1.3 Выводы к главе 1

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ

АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.1 Особенности моделирования и анализа структуры асинхронного электропривода

2.2 Математическое описание двухуровнего автономного инвертора напряжения

Математическое описание асинхронного двигателя с 2. короткозамкнутым ротором

2.4 Высокодинамичные алгоритмы управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

2.4.1 Алгоритм векторного управления

2.4.2 Алгоритм прямого управление моментом

2.5 Системы автоматического управления автономным инвертором напряжения

2.5.1 Широтно – импульсная модуляция

2.5.2 Пространственно-векторная модуляция

2.6 Выводы к главе 2

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИСССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА С РАЗРЫВНЫМИ АЛГОРИТМАМИ УПРАВЛЕНИЯ..

3.1 Описание лабораторной установки

3.2 Описание проведения измерений и получения осциллограмм токов в различных режимах

3.3 Описание математической модели асинхронного привода с............... DTC алгоритмом управления

3.4 Адекватность математической модели реальному объекту................. 3.5 Выводы к главе 3

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С

ВЫСОКОДИНАМИЧНЫМИ АЛГОРИТМАМИ УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Выбор объекта регулирования

4.2 Математическая модель асинхронного электропривода с векторным алгоритмом управления с ШИМ

4.3 Математическая модель асинхронного электропривода с DTC алгоритмом управления с переменной частотой переключения ключей инвертора

4.5 Сравнение высокодинамичных алгоритмов управления по результатам моделирования

4.6 Выводы к главе 4

ГЛАВА 5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С DTC

АЛГОРИТМОМ УПРАВЛЕНИЯ В СОСТАВЕ ГОРНОЙ МАШИНЫ............... 5.1 Описание объекта регулирования

5.2 Исходные данные для построения математической модели механизма подъема

5.3 Математическая модель механизма подъема экскаватора

5.4 Выводы к главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы 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 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 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 (DTC алгоритм). DTC 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 новых алгоритмов управления для релейно-импульсных систем является актуальной задачей.

Емельянова А.П., Ключева В.И., Микитченко А.Я., Чаплыгина Е.Е., Шрейнера Р.Т., Герман-Галкина С.Г. Парфенова Б.М., I. Takahashi, T. Noguchi, M.

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).

«электротехники, электроэнергетики, электромеханики» Национального минерально – сырьевого университета «Горный».

максимальное быстродействие по контуру тока (момента), требуемое для обеспечения высокопроизводительной работы и ограничения нагрузок механического и электрического оборудования главных механизмов горных машин;

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:

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.

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;

высокодинамичными алгоритмами управления.

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 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 релейно-импульсных регуляторов.

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 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

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 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.

установлены системы электроприводов постоянного тока (генератордвигатель (Г-Д), тиристорный преобразователь – двигатель (ТП-Д)), которые отличаются высоким энергопотреблением (0,5-0,6 кВт*ч/м3 для систем ТП-Д, 0,9-1,1 кВт*ч/м3 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] 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 повторнократковременном режиме с частыми пусками, 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 на 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.

[38] Ниже приведены основные типы применяемых систем электроприводов для горных машин.

Системы электроприводов главных механизмов 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 «стопорения», 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 «стопорения» влечет к мгновенному увеличению развиваемого движущего момента, что создает дополнительные нагрузки в элементах механизма и рабочем оборудовании, и, как следствие, могут возникать поломки механизма и выход из строя электрических двигателей. Например, при «стопорении» ковша экскаватора в подъемном канате развивается критическое усилие [35]:

где - критическое усилие, развиваемое в подъемном канате, – максимальное усилие в подъемном канате. При этом может наблюдаться выход из строя подъемного механизма экскаватора. Основным требованием к системе управления электроприводами механизмов горных машин для ограничения критических усилий является обеспечение максимального быстродействия по контуру момента.

Ведущие производители горной техники давно и успешно применяют асинхронный привод для своих разработок. Так, например, американская фирма «Bucyrus», входящая в состав корпорации «Caterpillar», применяет асинхронные приводы для всей производственной линейки экскаваторов. Ее конкурент – компания «P&H» применяет асинхронный привод на самом большом своем экскаваторе «4100C BOSS Shovel». Китайский производитель экскаваторной техники TYHI для своих приводов использует общепромышленные системы электроприводов «Simovert». [86] В России также ключевым этапом развития горных машин стало применение асинхронного электропривода. Отечественными производителями разработаны и выпущены асинхронные комплектные приводы для экскаваторов ЭКГ-32Р, ЭКГ-18, а также доведены до серийного производства асинхронные приводы для БелАЗов грузоподъемностью 136 тонн, 160 тонн и 240 тонн. В перспективе производство приводов для БелАЗов грузоподъемностью 90 тонн, 360 тонн и самого мощного 450 тонн. [38] Наряду с применением систем электроприводов, в настоящее время в зарубежной практике открытых горных работ применяют системы гидропривода для механизмов горных машин. По сравнению с системами электроприводов, гидропривод легко воспринимает переменные нагрузки в технологическом процессе. Благодаря этому, существенным преимуществом систем гидропривода является более высокая маневренность и значительное снижение общей массы. [38,86] Насосы и гидромоторы, рукава и уплотнения, входящие в состав гидроприводов, установленных на горных машинах, заменяются каждые три года, а гидроцилиндры – 1-2 раза за весь срок службы. При этом, более 70% отказов гидроприводов горных машин являются невосстанавливаемыми. До 40% простоев горных машин происходит из-за отказов гидропривода, которые обусловлены разгерметизацией вследствие неисправности рукавов, трубопроводов и уплотнений. Основным требованием к горным машинам, которые используются практически круглый год, является надежность.

Простои, связанные с техническим обслуживанием горных машин, должны быть минимальными. [41] Поэтому, приоритетным направлением решения вопросов обеспечения динамических характеристик для механизмов горных машин является применение асинхронного регулируемого электропривода.

электропривода горных машин Примером решения вопросов энергосбережения, обеспечения необходимых динамических характеристик, стала разработка компанией «ИЗ - КАРТЭКС имени П.Г. Коробкова» карьерного экскаватора ЭКГ-32Р – самого мощного экскаватора типа «прямая механическая лопата» в истории экскаваторостроения России и СССР. [38] Электропривод экскаватора ЭКГ32Р/35К предназначен для управления электроприводами главных механизмов, реализованных по системе преобразователь частоты – асинхронный двигатель, и обеспечивает:

- преобразование сигналов командоаппаратов в сигналы управления приводами главного движения;

- регулирование скорости приводов подъема, напора, поворота и хода в функции сигналов командоаппаратов путем изменения частоты переменного тока на выходе преобразователя;

- контроль токов фаз преобразователя и формирование сигнала максимальной токовой защиты;

- контроль температуры двигателей главных приводов (подшипники, статор), секций преобразователей;

- контроль состояния вспомогательных приводов;

- рекуперацию в сеть энергии торможения механизмов главных - управление электроприводом открывания днища ковша;

- управление электроприводом кабельного барабана;

- диагностику работы активного выпрямителя и главных приводов, а такженеисправностей оборудования.

эксплуатации его в следующих условиях:

- напряжение питающей сети 6 кВ частотой 50 Гц сеть трехфазная с изолированой нейтралью;

- отклонение частоты питающего напряжения +3% от номинального;

- провалы напряжения до 30% амплитудного значения и шириной до 10 электрических градусов;

- коэффициент несинусоидальности напряжения не более 5%.

Электропривод состоит из следующих функциональных элементов:

преобразователей, конденсаторной секции и 24-х дросселей;

преобразователей, двух чопперных резисторов и двух двигателей двигателя хода АДРЭ 400;

преобразователя, двигателя напора АДРЭ -С400 и двигателя хода - два температурных контроллера;

- преобразователь управления электроприводом открывания днища - электропривод кабельного барабана;

- секции релейно-контакторной включающей в себя аппаратуру коммутации силовых и управляющих цепей;

- шкаф управления вспомогательными приводами и освещением.

Электропривод обеспечивает питание, управление и защиту двигателей и другого оборудования главных и вспомогательных механизмов карьерного экскаватора ЭКГ-32Р/35К.

На рисунке 1.2.1 представлена функциональная схема электропривода экскаватора ЭКГ32Р/35К:

Рисунок 1.2.1 - Функциональная схема электропривода экскаватора На рисунке 1.2.1 обозначены:

1…4 – Секции активного выпрямителя AR-m – ведущая секция AR-s1…s3 – ведомые секции 5…8 – секции инвертора подъема H-m1, H-m2 – ведущие секции H-s1, H-s2 – ведомые секции 9 – секция инвертора поворота S-s – ведомая секция 10 – секция инвертора поворота – хода 11 – секция инвертора напора-хода (С – секция напора) ВРУ – высоковольтное распределительное устройство ДН – датчик напряжения ПЧ – преобразователь частоты ПЧЧ – преобразователь частоты с чоппером R – тормозной резистор СК – секция контакторная МН1, МН2 – двигатели подъема MS1, MS2 – двигатели поворота MC1, MC2 – двигатели напора MP1, MP2 – двигатели хода Особенностью экскаватора ЭКГ-32Р/35К является применение электропривода переменного тока с векторным управлением, что позволило улучшить энергоэффективность экскаватора, снизить расход электроэнергии, облегчить обслуживание элементов электропривода. Согласно технического задания на проектирование электропривода переменного тока экскаватора ЭКГ-32Р, одним из ключевых требований к системе электроприводов является точность поддержания скоростей и стопорных моментов главных приводов в пределах 5 %, выбросы по току (по моменту) при реверсе не должны превышать 10 %. Поэтому система векторного управления должна обеспечить время отработки 100% скачка по контуру момента не более чем за 20 мс.

Особенностью системы векторного управления является прямая зависимость от качества регулирования, от точности выполняемых и измерительных операций.

Коммутация ключей инвертора основана на среднем значении опорного сигнала, подаваемого на широтно-импульсный модулятор. Это вызывает задержки срабатывания и излишние переключения. Поэтому время реакции увеличивается до 100-200 мс. Отсюда следует, что задача обеспечения максимального быстродействия по контуру момента является актуальной как для главных механизмов экскаваторов, так и для других горных машин. [38] 1.3 Выводы к главе В первой главе рассмотрен объект исследования данной диссертационной работы, а именно системы электроприводов механизмов горных машин.

Основные выводы к главе заключаются в следующем:

1. Рассмотрены основные типы применяемых систем электроприводов для механизмов горных машин, особенности технологического динамическим характеристикам.

электроприводов для механизмов горных машин связанные с применением систем электроприводов переменного тока, а также систем гидроприводов.

3. Рассмотрена современная структура бесконтактного асинхронного электропривода Установлено, что текущее состояние систем электроприводов механизмов горных машин не отвечает современным требованиям по надежности, энергопотреблению. Решением данных вопросов является применение современных систем электроприводов переменного тока с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором, создание высокодинамичных алгоритмов управления для которых является актуальной задачей..

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ

АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.1 Особенности моделирования и анализа структуры асинхронного электропривода Используемые методы моделирования асинхронного электропривода представляют собой совокупность методик моделирования конкретных установок, которые включают в себя методы математического описания установок, методы расчета и анализа электромагнитных и электромеханических процессов, а также способы решения задач, возникающих при моделировании, расчете и анализе систем. В частности, методики моделирования включают в себя следующие элементы [61]:

система допущений и упрощенных представлений об объекте;

метод моделирования электрических систем по взаимосвязанным подсистемам;

способы разделения систем на взаимосвязанные подсистемы;

итерационные методы решения систем алгебраических уравнений;

методы решения дифференциальных уравнений;

алгоритмы расчета.

При расчетах электромагнитных устройств использованы методы электрических цепей (линейных и нелинейных). При этом устройства представлены схемами замещения с сосредоточенными параметрами.

Математическое моделирование ориентировано на расчет и анализ структуры асинхронного электропривода, содержащего асинхронный двигатель (АД), полупроводниковый преобразователь (ПП), систему автоматического управления двигателем, систему автоматического управления полупроводниковым преобразователем. При математическом описании АД, ПП использован метод разделения на взаимосвязанные части. [61] Математическое описание частей выполнено аналитически. За счет этого обеспечивается экономия машинного времени при расчетах. При этом, расчет систем по частям не предусматривает введения дополнительных допущений, учитываются все взаимные связи подсистем. [36,61] При описании ПП, используется метод моделирования систем при переменной структуре, который заключается в том, что ключевые элементы рассматриваются как идеальные ключи, которые в открытом (замкнутом) состоянии замыкают накоротко участки электрических цепей, а в закрытом (разомкнутом) состоянии разрывают их. При таком описании из электрических схем исключаются попеременно те или иные ветви, а структура системы является переменной. Каждой комбинации открытых и закрытых ключей соответствует своя система уравнений. При каждом изменении комбинации ключей осуществляется переход к решению другой системы уравнений.

Достоинства такого описания систем заключаются в том, что в каждый момент времени решается система уравнений минимального порядка, сокращаются затраты машинного времени. [61] 2.2 Математическое описание двухуровнего автономного инвертора напряжения Расчетная схема математической модели структуры «преобразователь частоты – асинхронный двигатель (ПЧ – АД) представлена на рисунке 2.2.1:

Моделирование двухуровнего автономного инвертора напряжения (АИН) выполнено с разделением на подсхемы, взаимосвязанные зависимыми источниками напряжения urc и тока ic (рисунок 2.2.2), 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 kin. В схеме, кроме параметров, указанных на рисунке 2.2.1, учтено активное сопротивление rd, активное сопротивление rc в конденсаторе. Параллельно конденсатору включена цепь защиты от перенапряжений с активным сопротивлением rz, транзистором kz и током iz. [61] Рисунок 2.2.2 - Разделение схемы АИН на подсхемы При моделировании схемы на каждом шаге расчета определяется напряжение емкости uc, и ветвь с конденсатором заменяется зависимым источником напряжения urc:

Фазные ЭДС инвертора:

транзисторного моста:

Такое разделение на подсхемы АИН позволяет рассчитывать и выводить на осциллограф токи и напряжения, питающие асинхронный двигатель; встроенными функциями Matlab/Simulink раскладывать полученные осциллограммы в ряд Фурье и анализировать энергетические показатели выходных величин. [61] короткозамкнутым ротором Трехфазная асинхронная машина с короткозамкнутым ротором наиболее широко используется в качестве двигателя. По сравнению с двигателями постоянного тока и синхронными двигателями, асинхронные машины обладают рядом преимуществ. Они имеют более простую конструкцию, дешевле и надежнее. В них отсутствуют скользящие электрические контакты, поэтому их эксплуатация менее трудоемка. [61] При математическом описании трехфазной машины принято, что нулевая точка статора выведена. Ротор короткозамкнутый. Описание асинхронной машины выполнено с разделением на подсхемы, взаимосвязанные через зависимые источники напряжения и тока, как изображено на рисунке 2.3. Рисунок 2.3.1 - Подсхема ротора и статора асинхронного двигателя Направления токов и напряжений приняты как показано на рисунке 2.3.1.

Статорная обмотка описана в фазных осях при следующих обозначениях: n – номер фазы (n=1,2,3); un – напряжения фаз, in – токи фаз. В подсхемах статорных обмоток в качестве зависимых источников учтены фазные ЭДС еn (обусловленные магнитным потоком в зазоре), а также ЭДС взаимной индукции фаз по путям рассеяния esn. Учтены индуктивности фаз l и активные сопротивления r1. [61] 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 намагничивания rm, индуктивность рассеяния обмотки ротора ls2 и активное сопротивление обмотки ротора r. [61] На рисунке 2.3.1 указаны направления токов и источников напряжения, направления осей d и q и промежуточных осей и, направление вращения ротора с частотой, угол поворота оси d ротора относительно оси.

В модели машины используются коэффициенты:

Для подсхем статорных обмоток справедливы уравнения:

где lst – стабилизирующая индуктивность.

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

ЭДС взаимной индукции фаз статорных обмоток по путям рассеяния:

Токи реакции якоря по осям и :

Токи реакции якоря по осям d и q:

Производные токов реакции якоря по осям d и q:

Токи роторных контуров по осям d и q определяются:

Проекции ЭДС на оси d и q определяется по формуле:

ЭДС по осям и зависит от угла в соответствии с формулами:

ЭДС зависимых источников в фазах обмоток статора:

электромагнитным вращающим моментом Мэм, противодействующим моментом на валу Мс, и моментом потерь Мр:

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

где мощность механических потерь в номинальном режиме, - мощность потерь энергии с стали в номинальном режиме, ток намагничивания, определяемый по формуле:

Такое разделение на подсхемы АД позволяет рассчитать и вывести на осциллограф скорость вращения ротора, электромагнитный момент двигателя, токи питающие асинхронный двигатель, выполнять анализ динамических характеристик асинхронного двигателя.

двигателем с короткозамкнутым ротором 2.4.1 Алгоритм векторного управления В основе векторного управления лежит оперирование с обобщающими векторами и их проекциями на ортогональные оси. Асинхронный двигатель представляет собой многоканальный объект с перекрестными связями [20].

Использование обобщающих векторов позволяет упростить систему уравнений асинхронного двигателя и производить вычисления с их проекциями как со скалярными величинами. Векторные системы управления в своем составе Тригонометрические преобразователи служат для преобразования проекций обобщающих векторов из одной системы координат в другую систему координат. Как правило, одна система координат неподвижная и связана со статором, другая система координат вращается синхронно с выбранным опорным вектором. Фазовые преобразователи преобразуют трехфазную систему токов и напряжений в двухфазную систему, а также осуществляют обратное преобразование. Для проекций обобщающего вектора тока статора I1, преобразование из неподвижной системы координат - во вращающуюся систему координат 1-2 осуществляется по формулам (2.4.1.1) [61]:

где – угол поворота вращающейся системы координат относительно неподвижной системы.

Преобразование проекций из вращающихся системы координат 1-2 в неподвижную систему координат - производится по формулам:

Для напряжений и токов статора при включении двигателя в “звезду” переход от трехфазной системы к двухфазной системе и обратно производится по формулам:

Переход от двухфазной системы к трехфазной осуществляется по формулам:

Для упрощения математических операций вращающуюся систему координат ориентируют по вектору потокосцепления ротора. В этом случае функциональная схема электропривода имеет наименьшее число перекрестных связей, что позволяет наиболее просто осуществлять регулирование скорости при стабилизации потокосцепления ротора. Уравнения короткозамкнутого асинхронного электродвигателя в системе координат, вращающейся со скоростью вектора потокосцепления ротора, имеют вид:

управлять потокосцеплением и электромагнитным моментом двигателя в каналах регулирования. [61] Каждый из каналов регулирования строится по принципу подчиненного регулирования. В зависимости от требований к системе регулирования, структура канала регулирования может быть различной. Для систем электропривода с невысокими требованиями к динамическим режимам, каналы регулирования представляют собой одноконтурные схемы. В системах Канал регулирования потокосцепления ротора двигателя содержит внутренний контур регулирования составляющей тока статора is1 с ПИрегулятором «регулятор тока 1» и внешний контур регулирования модуля потокосцепления rm с ПИ-регулятором «регулятор потока». На входе «регулятора потока» действует постоянное задание.

двигателя содержит контур регулирования составляющей тока статора is2 с ПИрегулятором «регулятор тока 2» и контур регулирования скорости с ПИрегулятором «регулятор скорости», на входе которого включен задатчик интенсивности (рисунок 2.4.1.1). [61] Рисунок 2.4.1.1 - Структурная схема электропривода с векторным 2.4.2 Алгоритм прямого управление моментом Метод прямого управления моментом и потоком статора (Direct Torque Control или сокращенно DTC) впервые был предложен Takahashi и Noguchi в 1985г. Ведущим производителем комплектных частотно-управляемых электроприводов, в которых практически реализован алгоритм управления DTC, является фирма АВВ. По информации фирмы-изготовителя эти системы отрабатывают стопроцентный скачок задания момента за 1-2 мс, обеспечивают регулирование момента при низких частотах вращения, включая и нулевую, а также обеспечивают точность поддержания скорости на уровне 10% скольжения АД без использования датчика скорости и 0,01% - с использованием датчика скорости. [35,36,37] Основная идея алгоритма DTC показана на рисунке 2.3.2.1, на котором в неподвижной системе координат изображены векторы потокосцеплений статора s и ротора r, а также восемь возможных положений вектора напряжения U0-U7, обеспечиваемых инвертором. [35] Рисунок 2.4.2.1 - Расположение векторов потокосцеплений и напряжений в неподвижной системе координат Момент, развиваемый машиной переменного тока пропорционален векторному произведению переменных состояния [36]:

Электромагнитный момент двигателя Мэ пропорционален произведению модулей потокосцеплений и синусу угла между ними. Постоянная времени ротора Tr достаточно велика, поэтому модуль потокосцепления ротора изменяется медленно. При рассмотрении небольшого отрезка времени, модуль потокосцепления статора можно принять постоянным. Таким образом, управление электромагнитным моментом двигателя осуществляется в основном путем изменения угла. Это изменение осуществляется путем выбора вектора напряжения, вызывающего такое изменение положения s относительно r, которое обеспечивает необходимый знак приращения электромагнитного потокосцепления. Для каждого из шести секторов характерен определенный набор векторов напряжения для всех возможных комбинаций требуемых знаков изменения модуля потокосцепления и момента. [37] Функциональная схема электропривода с прямым управлением момента показана на рисунке 2.4.2.2.

Рисунок 2.4.2.2 - Функциональная схема электропривода с прямым

Работа привода осуществляется в скользящем режиме. Например, если вектор потокосцепления статора находится в первом секторе, рассогласование по потоку положительное и рассогласование по моменту положительное, то надо увеличить скорость вращения магнитного поля, для чего выбирается вектор U2. Для замедления выбирается вектор U6. Если рассогласование по моменту равно нулю, то выбирается вектор равный нулю U0 или U7. Быстрое переключение векторов U2-U6 приводит к появлению промежуточных значений вектора напряжения. [35] Выбор соответствующего вектора напряжения основан на простой таблице коммутации. Входами для табличного определения вектора напряжения (положение ключей инвертора) являются угловой сектор положения вектора потокосцепления статора и выходы двух релейных гистерезисных регуляторов РМ и РП. [36] В релейных регуляторах момента и потокосцепления сравниваются заданные значения регулируемых величин с вычисленными и формируются логические сигналы для блока выбора вектора напряжения. На рисунке 2.4.2. представлены варианты характеристик релейных регуляторов [36]:

Рисунок 2.4.2.2 - Статические характеристики используемых регуляторов Релейный регулятор момента строится на основе трехпозиционного релейного звена с зоной нечувствительности и с гистерезисным допуском (рисунок 2.4.2.2, а). Релейный регулятор потокосцепления строится на основе двухпозиционного релейного звена с гистерезисным допуском (рисунок 2.4.2.2, б). Настройка релейных регуляторов в системах DTC сводится к определению ширины гистерезисной петли 2b у двухпозиционных реле, ширины гистерезисной петли 2b и зоны нечувствительности 2a – у трехпозиционных реле, а также коэффициентов усиления датчиков обратных связей. Сигнал с выхода релейного регулятора представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с единичной амплитудой и определенной частотой. [36] Наличие релейных регуляторов в системе управления придает следующие свойства системе управления [86]:

высокое быстродействие;

переменная частота переключений инвертора;

наличие колебаний электромагнитного момента;

Сигналы с выходов релейных регуляторов поступают на вход блока выбора вектора напряжения, в котором заложена таблица коммутации (таблица 2.4.2.1).

Таблица 2.4.2.1 - Таблица выбора вектора напряжения Схема инвертора показана на рисунке 2.4.2.3:

Состояния транзисторов инвертора определяются в соответствии с таблицей 2.4.2.2:

Таблица 2.4.2.2 - Таблица переключения транзисторов В таблице 2.4.2.2 знак “+” соответствует включенному транзистору, знак “–” выключенному транзистору. Таким образом, любая фаза двигателя в каждый момент времени подключена к плюсовой или минусовой шине выпрямителя. [36] Для реализации рассматриваемого способа управления определяется угловое положение вектора потокосцепления обмотки статора [56]:

где s, s – проекции вектора потокосцепления обмотки статора на оси В зависимости от угла поворота вектора потокосцепления обмотки статора выбирается номер углового сектора:

Системы с прямым управлением момента, как правило, содержат вычислитель или наблюдатель координат (рисунок 2.4.2.2). По измеренным фазным токам и заданным напряжениям рассчитываются недостающие координаты привода, а именно, вращающий момент, модуль потокосцепления, угловое положение вектора потокосцепления и частота вращения ротора.

Первичные параметры двигателя считаются известными. [36] Наблюдатель координат полного порядка восстанавливает переменные состояния, используя полную систему уравнений.

Двигатель, как и любая динамическая система, описывается системой уравнений [36]:

Потокосцепления и токи находятся путем решения полной системы уравнений двигателя [36]:

где: L's Ls, K s m, Ts' s. Параметры роторной цепи определяются аналогично.

Рассогласование “e”, подаваемое на его вход, вычисляется по формулам:

где Kр, KI – настраиваемые коэффициенты регулятора скорости.

Вычислитель устойчиво работает в зоне низких частот вращения двигателя, а также при изменении его параметров.

Общая схема такого наблюдателя приведена на рисунке 2.4.2.4.

Рисунок 2.4.2.4 - Вычислитель координат полного порядка 2.5 Системы автоматического управления автономным инвертором напряжения 2.5.1 Широтно – импульсная модуляция получающего питание от источника постоянного напряжения со средней точкой, структура которого показана на рисунке 2.5.1.1. [61] Рисунок 2.5.1.1 - Структура однофазного инвертора с ШИМ Активно-индуктивная нагрузка Zн включена между средней точкой источника питания и точкой соединения электронных ключей 1 и 2, каждый из которых включает в себя транзистор, работающий в ключевом режиме и диод обратного тока. Система управления транзисторными ключами содержит в своем составе нуль-орган (НО) и формирователи Ф1 и Ф2. На входе нульоргана сравниваются задающий сигнал u* и пилообразное опорное напряжение uоп. Если u*>uоп, т.е. разность (u*-uоп) положительна, то сигнал на выходе нульоргана положителен и на выходе формирователя Ф1 существует соответствующий транзистор. К нагрузке оказывается приложенным напряжение +0,5Ud. При отрицательной разности (u*-uоп) замыкается ключ 2 и напряжение на нагрузке становится отрицательным и равным -0,5Ud. [22] На рисунке 2.5.1.2 показаны симметричное пилообразное опорное напряжение с максимальным значением Uопm и напряжение задания u*, которое предполагается постоянным в течение периода ТШИМ опорного напряжения. В нижней части рисунка приведены состояния сигналов f1* и f2* и форма напряжения на выходе инвертора u.

Рисунок 2.5.1.2 - Опорное напряжение и напряжение задания инвертора Ограничение напряжения производится на уровне 0,5Ud, так как для получения неискаженного напряжения на выходе задающий сигнал u* не должен превышать максимального значения опорного напряжения Uоп m.

Если управляющий сигнал представляет собой синусоиду, то первая гармоника напряжения на выходе инвертора повторяет управляющий сигнал.

Изменение его частоты приводит к изменению частоты на выходе инвертора.

Изменение амплитуды управляющего сигнала при неизменной частоте будет приводить к изменению соотношения длительности положительных и отрицательных импульсов напряжения на выходе, т.е. изменению амплитуды его первой гармоники (рисунок 2.5.1.3). При высокой частоте ШИМ и активноиндуктивной нагрузке, какой является обмотка статора, ток нагрузки оказывается практически синусоидальным. [61] Рисунок 2.5.1.3 - Принцип ШИМ на примере однофазного инвертора Аналогично ШИМ сигнал формируется и в трехфазных сетях. На рисунке 2.5.1.4 представлена схема трехфазного мостового инвертора. Устройство включает в себя три плеча с транзисторными ключами, каждое из которых выполнено аналогично плечу однофазного инвертора. К средним точкам каждого из плеч подключено начало фазной обмотки статора двигателя. Схема включает в себя общий для всех трех фаз источник пилообразного опорного напряжения uоп. Управляющие сигналы представляют собой трехфазную систему синусоидальных напряжений, сдвинутых между собой на 120°. Изменение частоты напряжения на выходе инвертора достигается изменением частоты управляющих сигналов, а изменение амплитуды – изменением их амплитуды [61].

Рисунок 2.5.1.4 - Преобразователь частоты с трехфазным инвертором и широтно-импульсной модуляцией: 1-автономный инвертор напряжения, 2.5.2 Пространственно-векторная модуляция В двухуровневом инверторе возможны восемь состояний ключей, которым соответствуют шесть фиксированных положений вектора напряжения U1, U2,…U6 и два нулевых вектора. Нулевой вектор образуется, когда все ключи инвертора подключены либо к отрицательной шине U0, либо к положительной шине U7. Предположим, что требуемый пространственный вектор напряжения Uзад. находится в секторе 1 и, как показано на рисунке 2.5.2.1, формируется включением на определенное время поочередно двух смежных векторов напряжения [61]:

где t1 – время действия вектора U1, t2 – время действия вектора U2.

Рисунок 2.5.2.1 - Векторное пространство напряжений инвертора Общее время цикла составляет:

где t0 – время действия нулевого вектора U0 или U7.

Для формирования пространственного вектора необходимо знать его угловое положение, чтобы определить номера смежных векторов и рассчитать время действия каждого из смежных векторов. Время цикла выбирается, исходя из требуемой частоты переключения ключей инвертора. На рисунке 2.5.2. показаны положения ключей инвертора, а на рисунке 2.5.2.3 приведен график во временной области, поясняющий работу ключей, при формировании заданного пространственного вектора напряжения в секторе 1 [61].

Рисунок 2.5.2.2 - Состояние ключей инвертора для векторов U1 и U Рисунок 2.5.2.3 - График переключения ключей инвертора в секторе Вектора U0 – U7 на рисунке 2.5.2.1 имеют следующие проекции на оси и Заданный вектор напряжения в секторе 1 формируется согласно формуле:

В общем случае для любых смежных векторов можно написать:

Решив систему уравнений (2.5.2.5) относительно t1 и t2, получим значения времени включения каждого из смежных векторов:

Угловое положение заданного вектора напряжения находится по проекциям:

По вычисленному углу определяется номер сектора и номера смежных векторов. Вычисление заданного вектора напряжения осуществляется следующим образом. Во вращающейся со скоростью вектора потокосцепления статора системе координат уравнения статорной и роторной цепей асинхронного двигателя имеют вид Приняв общепринятое допущение Rs= 0 и обозначив =, имеем Уравнение момента в выбранной системе координат для трехфазной машины:

Из (2.5.13) следует:

Подставив (2.5.2.14) и (2.5.2.15) в (2.5.2.12), приняв Ks = Kr, учитывая, что проекция вектора потокосцепления статора на ось 2 равна нулю, получим:

Решив уравнение (2.5.16) относительно sm и взяв производную, получим:

Подставив (2.5.17) в (2.5.11), получим:

На основании (2.5.2.9) и (2.5.2.18) можно предложить следующий алгоритм вычисления проекций заданного вектора напряжения:

где k – коэффициент, p – число пар полюсов, 0, 0sm, M0 заданные значения, T – шаг счета.

Преобразование проекций вектора на неподвижные оси производится по формулам:

где – угловое положение вектора потокосцепления статора.

2.6 Выводы к главе Во второй рассмотрена структура асинхронного электропривода, выполнено математическое описание элементов электропривода. Представлены и рассмотрены алгоритмы управления асинхронным двигателем, системы управления инвертором напряжения. Основные выводы к главе заключаются в следующем:

1. Выполнено математическое описание элементов асинхронного электропривода. Применяемый метод разделения на взаимосвязные части позволяет производить расчет динамических и статических 2. Рассмотрены высокодинамичные алгоритмы управления асинхронным двигателем, обеспечивающие высокое быстродействие по контуру 3. Рассмотрены энергоэффективные алгоритмы управления инвертором Установлено, что достижение максимального быстродействия по контуру момента возможно при использовании релейных гистерезисных регуляторов.

Для улучшения показателей качества электромеханической совместимости необходима реализация пространственно- векторной модуляции, что обеспечит постоянную частоту переключения коммутаторов инвертора.

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИСССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА С РАЗРЫВНЫМИ АЛГОРИТМАМИ

УПРАВЛЕНИЯ

3.1 Описание лабораторной установки Исследования частотно-регулируемого асинхронного электропривода с разрывными алгоритмами управления проводилось в лаборатории кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики НМСУ «Горный». Для этого была смонтирована лабораторная установка, схема которой представлена на рисунке 3.1.1:

В состав лабораторной установки входят:

- преобразователь частоты ABB ACS - асинхронный двигатель АИР71В4У - датчик тока Lem LTS 6-NP - осциллограф Rigol DS1052E - двигатель постоянного тока 4ПБ100S - выпрямитель Siemens SIMOREG DC 6RA Согласно структурной схеме преобразователь частоты ABB ACS (рисунок 3.1.1) получает питание от сети трехфазного переменного тока с частотой 50 Гц, амплитудой напряжения 380 В.

Рисунок 3.1.2 - Преобразователь частоты ABB ACS Параметры преобразователя частоты представлены в таблице 3.1:

Таблица 3.1.1 - Технические параметры преобразователя частоты ABB ACS Преобразователь частоты ABB ACS Подключение к сети 3-фазное напряжения амплитудой от Коэффициент мощности cos 0,98 (номинальный) КПД (при номинальной мощности ) 98% Продолжение таблицы 3.1. подключение двигателя:

Управление двигателем скалярное, DTC Управление моментом:

Время нарастания крутящего без обратной связи: < 5 мс при АД, параметры которого представлены в таблице 3.1.2, получает питание от преобразователя частоты, при этом фаза А подключена к датчику тока Lem LTS 6-NP (рисунок 3.1.3). Для получения осциллограммы тока статора АД, датчик тока подключается к осциллографу Rigol DS1052E (рисунок 3.1.4).

Таблица 3.1.2 - Технические характеристики двигателя АИР71В4У Рисунок 3.1.3 - Плата с датчиками тока Lem LTS 6-NP Параметры датчика тока Lem LTS 6-NP представлены в таблице 3.1.2.

Таблица - 3.1.2 Электрические параметры датчика дота Lem LTS 6-NP Диапазон преобразования 0.. ± 19,2 А х вит Сопротивление нагрузки Встроенный измерительный резистор 208,33 Ом Электрическая прочность изоляции 3 кВ (50 Гц, 1 мин) Частотный диапазон:

В качестве нагрузочного двигателя использовался ДПТ 4ПБ100S2, установленный на одном валу с АД и соединенный с ним муфтой (рис. 3.1.3) Параметры двигателя 4ПБ100S2 представлены в таблице:

Таблица - 3.1.3 Технические характеристики двигателя 4ПБ100S Тип электродвигателя NНОМ, кВт UНОМ, В nНОМ, об/мин КПД, % ДПТ получает питание от выпрямителя Siemens SIMOREG DC 6RA (рис. 3.1.4) Рисунок 3.1.4 - Выпрямитель Siemens SIMOREG DC 6RA 3.2 Описание проведения измерений и получения осциллограмм токов в различных режимах.

предварительная настройка преобразователей частоты. В преобразователе частоты ABB ACS 600 были установлены параметры двигателя, был выбран DTC алгоритм управления двигателем, задано время разгона до номинальной скорости 0,4 с, время торможения с номинальной скорости до 0 – 0,5 с. В преобразователе частоты Siemens SIMOREG DC были установлены параметры двигателя 4ПБ100S2, установлено задание поддержания момента на валу двигателя 30% от номинального. Далее, осуществлялся одновременный пуск преобразователей частоты ABB и Siemens, установившийся режим, задание на торможение асинхронного двигателя и одновременное выключение преобразователей. Повторное снятие осциллограмм тока статора проводилось через 10 минут согласно руководству по эксплуатации преобразователей частоты.

На рисунке 3.1.4 показан осциллограф с осциллограммой тока статора в момент пуска двигателей. На рисунке 3.2.1 показана панель управления преобразователем частоты ABB ACS 600 перед пуском(а) и в установившемся режиме (б).

Рисунок 3.2.1 - Сигналы на панели управления преобразователем частоты ABB ACS 600 перед пуском(а) и в установившемся режиме (б) В результате проведения экспериментальных исследований, были получены осциллограммы тока статора, представленных в приложении А на рисунках А.1 – А.6.

3.3 Описание математической модели асинхронного привода с DTC алгоритмом управления Общая схема модели привода представлена на рисунке 3.3.1. Схема модели системы управления представлена на рисунке 3.3.2. В схемах использованы стандартные блоки программы Matlab/Simulink.

Рисунок 3.3.1 - Схема модели асинхронного электропривода с DTC алгоритмом Рисунок 3.3.2 - Математическая модель системы управления Схема математической модели привода с DTC алгоритмом управления состоит из 7 блоков:

Неуправляемый выпрямитель Функциональная схема регулятора скорости показана на рисунке 3.3.3, соответствующая ему реализованная модель – на рисунке 3.3.4.

Рисунок 3.3.3 - Функциональная схема регулятора скорости Рисунок 3.3.4 - Модель регулятора скорости в программе Matlab Блок DTC представленный на рисунке 3.3.5 состоит из 5 основных блоков:

Блок вычисления крутящего момента и потока (T, Fs) используется для оценки потока двигателя в осях - и электромагнитного момента. Вычисления получаются путем решения дифференциальных уравнений, описывающих процессы в АД;

Блок «- vector» используется, чтобы найти сектор - плоскости, в которой лежит вектор потока. Плоскость с координатными осями - разделена на шесть различных секторов, разнесенных на 60 градусов;

Блоки регуляторов электромагнитного момента и потокосцепления содержат гистерезисные компараторы – двухуровневый для контроля потока и трехуровневый – для электромагнитного момента;

Блок таблицы коммутации содержит две таблицы, которые выбирают результирующий вектор напряжения в соответствии с выходными сигналами компараторов потока и электромагнитного момента. Этот блок также производит начальный поток в машине;

Блок управления переключениями используется для ограничения частоты коммутации инвертора до максимального значения;

Блок сброса энергии содержит конденсатор, подключенный к шине постоянного тока и транзистор, срабатывающий при динамическом торможении и подключающий тормозной резистор, который используется для поглощения энергии.

3.4 Адекватность математической модели реальному объекту Для оценки адекватности математической модели, проведем моделирование режимов, аналогичных экспериментальным, с параметрами двигателя АИР72В4У3, представленными в таблице 3.4.1.

Таблица 3.4.1 Параметры двигателя АИР72В4У3 для математической модели Номинальный коэффициент мощности, о.е. 0, Кратность критического момента mп, о.е. 2, При моделировании были заданы следующие параметры: время разгона двигателя – 0,4 с; время торможения – 0,5 с; время работы в установившемся режиме – 1,35 с. Время работы в установившемся режиме было выбрано меньше, чем при экспериментальном исследовании ввиду большого количества вычислений и связанное с этим длительное время расчетов полного процесса.

В результате моделирования были получены кривые тока статора. На рисунке 3.4.1 представлена кривая тока статора фазы А двигателя.

Рисунок 3.4.1 - Осциллограмма фазы А тока статора двигателя АИР72В4У3, Проверку адекватности модели выполним для двух процессов: 1.пуск двигателя – установившийся режим; 2. установившийся режим – торможение.

Проверим адекватность математической модели для первого процесса.

Сформулируем нуль- гипотезу H0: математическая модель асинхронного электропривода адекватна. Альтернативная гипотеза H1: математическая модель асинхронного электропривода неадекватна.

Выделим на полученных осциллограммах 13 точек, координаты которых представлены в таблице 3.4.2, таблице 3.4.3.

Таблица 3.4.2 - Результаты экспериментов на стенде 0 0,015 0,025 0,045 0,065 0,085 0,095 0,115 0,125 0,135 0,155 0,165 0, Ii,2,%Iном Ii,3,%Iном Таблица 3.4.3 - Результаты экспериментов на математической модели 0 0,015 0,025 0,045 0,065 0,085 0,095 0,115 0,125 0,135 0,155 0,165 0, I,%Iном Рассчитаем средние значения тока статора в определенные таблицей 3.4. моменты времени по формуле:

Таблица 3.4.4 - Результаты расчета для первого процесса дисперсий) для каждого из 13 моментов времени по следующей формуле:

На следующем этапе проверим выполнение статистической гипотезы об однородности (равенстве) дисперсий во всех опытах, т.е. в проверке воспроизводимости. Для этого рассчитаем статистику критерия Кохрена по формуле:

и сравниваем ее с табличным значением G 1, Степени свободы рассчитаем по формулам:

Уровень значимости принимается =0,05.

Из третьего столбца таблицы 3.4.4 видно, что smax 1,936. Следовательно Табличное значение критерия Кохрейна при 1 3 1 2 и 2 13 равно Таким образом, табличного, следовательно, гипотеза об однородности дисперсий выполняется, а это означает, что можно рассчитать соответствующие дисперсии:

Для проверки адекватность полученной модели воспользуемся Fкритерием Фишера. Занесем полученные результаты расчета с помощью математической модели в таблицу 3.4.4 в четвертый столбец, а в следующем столбце той же таблицы рассчитаем разность квадратов экспериментального и рассчитанного по модели значений откликов. Затем рассчитаем величину дисперсии адекватности по формуле:

где k – число коэффициентов математической модели, k=2.

Итого значение дисперсии адекватности sад 0,1692.

Определим экспериментальное значение критерия Фишера Теоретическое значение критерия Фишера при ад N k 13 2 11 и Отсюда можно заключить, что экспериментальное значение меньше теоретического т.е.

следовательно гипотеза Н0 обоснована.

Проверим адекватность математической модели для второго процесса по аналогичному алгоритму.

Таблица 3.4.5 - Результаты экспериментов на стенде Таблица 3.4.6 - Результаты экспериментов на математической модели Рассчитаем средние значения тока статора в определенные таблицей 3.4.5 моменты времени по формуле (3.4.1).

Таблица 3.4.6 - Результаты расчета для второго процесса Далее рассчитываем значения выборочных дисперсий, записываем в третий столбец.

Следующим этапом проверим выполнение статистической гипотезы об однородности (равенстве) дисперсий во всех опытах по формуле (3.4.3) и сравниваем ее с табличным значением G 1, Уровень значимости принимается =0,05.

Из третьего столбца таблицы (3.4.6) видно, что smax 0,04. Следовательно Табличное значение критерия Кохрейна при 1 3 1 2 и 2 13 равно Таким образом, Так как экспериментальное значение критерия Кохрена меньше табличного, следовательно, гипотеза об однородности дисперсий выполняется, а это означает, что можно рассчитать соответствующие дисперсии:

Для проверки адекватность полученной модели воспользуемся F-критерием Фишера. Занесем полученные результаты расчета с помощью математической модели в таблицу 1 в четвертый столбец, а в следующем столбце той же таблицы рассчитаем разность квадратов экспериментального и рассчитанного по модели значений откликов.

Затем рассчитаем величину дисперсии адекватности по формуле (3.4.4).

Итого значение дисперсии адекватности sад 0,00811.

Определим экспериментальное значение критерия Фишера Теоретическое значение критерия Фишера при ад N k 13 2 11 и Отсюда можно заключить, что экспериментальное значение меньше теоретического т.е.

следовательно гипотеза Н0 обоснована.

3.5 Выводы к главе В третьей главе представлено теоретическое и экспериментальное исследование асинхронного электропривода с алгоритмом прямого управления моментом. Основные выводы к главе заключаются в следующем:

1. Выполнено подробное описание лабораторной установки для исследования асинхронного электропривода 2. Представлено описание проведения эксперимента по получению осциллограмм тока статора асинхронного двигателя, полученные осциллограммы представлены в приложении А на рисунках А.1-А.6.

Matlab/Simulink исполнительного двигателя лабораторной установки для режимов:

пуск, установившийся режим, торможение.

математического моделирования отражают поведение реального объекта.

Сравнение осциллограмм выполнено по критерию Фишера и доказана адекватность математической модели реальному объекту. Сделан вывод о возможности применения разработанной математической модели для исследования типовых режимов работы горных механизмов.

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ВЫСОКОДИНАМИЧНЫМИ АЛГОРИТМАМИ

УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Выбор объекта регулирования Исследование динамических режимов электропривода с различными системами управления проводилось в программе MATLAB/Simulink. В качестве объекта управления был выбран асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором из стандартного ряда двигателей серии 4А.

Технические данные двигателя приведены в таблице 4.1.1.

Таблица 4.1.1 - Технические данные двигателя 4А315S4У Номинальное линейное напряжение Uлн, В Синхронная частота вращения c, рад/с Номинальный коэффициент мощности, о.е. 0, Кратность пускового момента mк, о.е. 1, Кратность критического момента mп, о.е. 2, Активное сопротивление статора Rs, Ом 0, Продолжение таблицы 4.1. Активное сопротивление ротора Rr, Ом 0, Индуктивность обмотки статора Ls, Гн 0, Параметры структурной схемы асинхронного двигателя:

(таблица 4.1.2), основанные на математической модели, описанной в главе 3, п.3.4 [15,18,19].

Таблица 4.1.2 - Параметры математических моделей тип САУ Модель №2 DTC алгоритм управления с переменной частотой векторным алгоритмом управления с ШИМ Поскольку каналы регулирования в системе векторного управления целесообразно производить в режиме короткого замыкания двигателя, а канала регулирования момента и частоты вращения двигателя – в режиме холостого хода, когда электромагнитные переходные процессы в канале регулирования потокосцепления ротора уже завершились. [15] В системах электропривода с высокими требованиями к динамическим двухконтурным. В контурах регулирования используются ПИ - регуляторы.

представлена на рисунке 4.2.1. [15,18] Рисунок 4.2.1 - Структурная схема канала регулирования Расчет параметров регуляторов был выполнен по приближенным формулам. Для регулирования составляющей тока is1 РТ1 формула имеет вид:

Для регулятора потокосцепления ротора двигателя P использована формула:

Аналитический расчет регуляторов канала регулирования скорости двигателя производится, исходя из положения, что переходные процессы в канале регулирования потокосцепления ротора завершились. В этом случае выражение для электромагнитного момента двигателя в системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора, имеет вид:

асинхронного двигателя с ПИ – регуляторами представлена на рисунке 4.2.2:

Рисунок 4.2.2 - Структурная схема канала регулирования частоты вращения Расчет параметров регуляторов был выполнен по приближенным формулам. Для регулятора скорости двигателя РС формула имеет вид:

Для регулирования составляющей тока is2 РТ2 использована формула:

На рисунке 4.2.3 представлена структурная схема модели системы векторного управления в осях -.

Рисунок 4.2.3 - Структурная схема модели системы векторного управления построена математическая модель в среде Matlab (рисунок 4.2.4) Рисунок 4.2.4 - Схема модели асинхронного электропривода с векторным 4.3 Математическая модель асинхронного электропривода с DTC алгоритмом управления с переменной частотой переключения ключей инвертора Внешний контур регулирования содержит линейный ПИ-регулятор скорости. Для достижения желаемого качества переходных процессов настройка регулятора скорости в системе DTC может изменяться в широких пределах. В то же время быстродействие системы от настройки регулятора скорости зависит мало, поскольку определяется, главным образом, частотой автоколебаний релейных гистерезисных регуляторов внутренних контуров регулирования. Таким образом, настройка регулятора скорости выполнялась весьма приближенно [15,18] с помощью выражений:

Передаточная функция ПИ-регулятора скорости:

Внутренние контуры регулирования в системе DTC представляют собой потокосцепления статора и электромагнитного момента. [15] представляет собой двухпозиционное реле с гистерезисной петлей без зоны нечувствительности. Регулятор электромагнитного момента (РМ) двигателя выполнен в виде трехпозиционного реле. Настройка релейных регуляторов в системах DTC сводится к определению ширины гистерезисной петли у нечувствительности у регулятора электромагнитного момента.

Настройка параметров регулятора происходит согласно следующим выражениям [17]:

для двухпозиционного реле (РП):

для трехпозиционного реле (РМ):

Таким образом, были выбраны начальные параметры для моделирования:

Для получения необходимого качества регулирования, настройки параметров регуляторов были уточнены при моделировании электропривода окончательные параметры настройки релейных регуляторов:

На основе математической модели, описанной в 3.3, используя настройки регуляторов, была построена математическая модель в среде Matlab.

Система управления включает в себя блок вычисления координат неполного порядка. Выявление координат производится по измеренным токам двигателя и выбранному вектору напряжения. В блоке вычисляются: проекции на неподвижные оси вектора потокосцепления обмотки статора и его модуль, проекции на неподвижные оси вектора потокосцепления обмотки ротора, скорость вращения вектора потокосцепления ротора, скорость вращения вала определяется по угловому положению вектора потокосцепления статора без учета положения вектора потокосцепления ротора. Расположение этих векторов в разных секторах приводит к повышенным пульсациям момента.

Математическая модель асинхронного электропривода с алгоритмом управления с пространственно-векторной широтноимпульсной модуляцией На основе математической модели, описанной в 4.3, используя настройки регуляторов, была построена математическая модель в среде Matlab. На рисунке 4.4.1 представлена модель блока DTC, в которой присутствует система ПВМ. Выходные сигналы с регуляторов момента и потокосцепления (блоки Torque и Flux соответственно) поступают в блок таблицы переключения, где осуществляется выбор конечного положения результирующего вектора напряжения. Далее сигналы выхода блока таблицы поступают в блок преобразования координат, после которого сигналы поступают в блок вычисления времени включения базовых векторов (блок switching time calculator).

поступают в блок преобразования сигналов в управляющие импульсы, поступающие на ключи инвертора.

Рисунок 4.4.1 - Блок систему управления модели с DTC алгоритмом управления 4.5 Сравнение высокодинамичных алгоритмов управления по результатам моделирования На математических моделях, описанных выше были исследованы и сравнены высокодинамичные алгоритмы управления. Для исследования был выбран асинхронный двигатель 4А315S4У3, параметры двигателя представлены в таблице 3.1.1. Мощность данного двигателя соответствует мощности привода подъема и напора карьерных экскаваторов. Исследования динамических режимов проводилось при следующих условиях: задание по времени на разгон tp=0,55 с, в момент времени t1=0,6 с происходит наброс номинальной нагрузки, период времени t2=1с дается задание на остановку двигателя, в момент времени t3= 1,5 момент нагрузки инвертируется с положительного значения на отрицательное.

электромагнитного момента и тока статора соответственно, полученные в результате моделирования при векторном алгоритме управления (а), при алгоритме прямого управления моментом (б), при алгоритме прямого управления моментом с пространтсвенно – векторной модуляцией (в).

Рисунок 4.5.1 - Осциллограммы электромагнитного момента асинхронного электропривода при различных алгоритмах управления Рисунок 4.5.2 - Осцилограммы тока статора асинхронного электропривода при 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, ШИМ обеспечивает постоянную частоту переключения ключей инвертора, что обеспечило значение коэффициента нелинейных искажений тока в установившемся режиме работы не более 3%.

Как видно из осциллограмм, время отработки задания в электроприводе с алгоритмом прямого управления моментом составляет не более 0,05 с.

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. Коэффициент нелинейных искажений тока в установившемся режиме работы составил 6%.

Применение пространственно-векторной модуляции в DTC алгоритме обеспечило наименьшие пульсации электромагнитного момента, которые составили 3,5%. Искажения кривой тока статора не превысили 3,6 %.

Сравнение систем DTC-управления и систем векторного управления по организационным и динамическим характеристикам приведено в таблице 4.5. [10].

Таблица 4.5.1 - Сравнение систем DTC-управления и систем векторного управления Коммутация ключей инвертора Коммутация ключей инвертора электродвигателя – магнитном регулировании составляющих При построении системы Текущее значение механической регулирования не используется скорости используется при значение скорости вращения вала построении системы регулирования электродвигателя (за исключением (она либо измеряется, либо прецизионных приложений) вычисляется).

инвертора производится отдельно основана на среднем значении Низкая чувствительность к Прямая зависимость качества неточности информации о состоянии регулирования от точности Время отработки 100% скачка Время отработки 100% скачка задания по вращающему моменту задания по вращающему моменту:

регулирования) составляет от 1 до 5 регулирования – 10 – 20 мс.;

Таким образом, на основании приведенной информации и полученных результатов, можно отметить что система прямого управления моментом, обладая самым высоким быстродействием по контуру момента в совокупности с большой перегрузочной способностью, отвечает требованиям, предъявляемым к электроприводу горных машин и механизмов.

В четвертой главе диссертации выполнено исследование типовых режимов работы электроприводов механизмов горных машин. Основные выводы к главе заключаются в следующем:

электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления асинхронным двигателем и исследованы режимы пуска, наброса сброса нагрузки, торможения;

электрические процессы, протекающие в электроприводе;

3. Выполнено сравнение алгоритмов управления асинхронным электродвигателем по критерию обеспечения электромеханической и электромагнитной совместимости;

На основании полученных результатов математического моделирования быстродействующее, прямое управление вращающим моментом и поддержание потокосцепления статора на заданном уровне в асинхронных машинах.

Применение пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции обеспечивает постоянную частоту переключения ключей инвертора, тем самым повышая показатели эффективности и надежности работы асинхронного электропривода.

ГЛАВА 5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С DTC

АЛГОРИТМОМ УПРАВЛЕНИЯ В СОСТАВЕ ГОРНОЙ МАШИНЫ

5.1 Описание объекта регулирования электроприводе подъема карьерного экскаватора. Карьерные экскаваторы – это горные машины циклического действия. По условиям эксплуатации одноковшовые экскаваторы работают в режиме частых пусков и торможений. В зависимости от экскаваторного типажа количество пусков, реверсов и торможений может достигать Nпуск = 200-250 в час [35].

механические нагрузки, в том числе ударные. Вследствие этого движение ковша в забое отличается большой неравномерностью вплоть до полного стопорения при встрече с непреодолимым препятствием.

Электропривод подъема рассматривается как многомассовая система изза наличия в кинематической части механизма ярко выраженного упругого элемента – подъемного каната. При упругой деформации механических элементов с низкой жесткостью, таких как канаты, длинные валы, в деформированных на растяжение и изгиб элементах запасается потенциальная энергия. Это приводит к появлению в металлоконструкциях механических колебаний, вызывающих значительные динамические перегрузки. При этом основная часть кинетической энергии заключена в роторе двигателя и редуктора, т.е. в элементах кинематической схемы, лежащих до упругих звеньев. При резких изменениях скорости движения ковша в забое и при стопорении запасенная кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию деформации элементов конструкции и канатов [35].

Таким образом, электроприводу подъема карьерного экскаватора присущи практически все характерные признаки, обосновывающие применение частотно- регулируемого электропривода с системой прямого управления моментом. Частые пуски, реверсы, и торможения электропривода подъема требуют, чтобы в динамических режимах двигатель развивал постоянный момент, близкий к номинальному значению. Это позволяет существенно повысить эффективность использования экскаватора за счет сокращения времени цикла экскавации. Поскольку для экскаваторного электропривода не предъявляется специальных требований к точности управления и жесткости рабочей части механических характеристик, система DTC – управления может быть построена в бездатчиковом варианте [35].

В качестве средства при моделировании была использована система MATLAB, основные сферы применения которой следующие [35]:

математика и вычисления;

разработка алгоритмов;

вычислительный эксперимент;

анализ данных, исследование и визуализация результатов;

научная и инженерная графика.

Математическая модель механической части электропривода подъема – приближенная. Степень приближения к реальному объекту определяется совокупностью принятых допущений:

стрела экскаватора – абсолютно жесткий элемент;

деформации рукояти на изгиб незначительны;

жесткость подъемного каната- величина постоянная;

изменение массы ковша при заполнении ковша породой не приводит к существенному изменению приведенных моментов инерции механизма подъема.

5.2 Исходные данные для построения математической модели механизма подъема При построении математической модели в нее были заложены числовые параметры, соответствующие экскаватору типа ЭКГ – 5А. Числовые значения параметров механической части экскаватора, характеризующие его отдельные узлы и механизмы, были получены из справочной литературы [35]. Основные технические данные экскаватора приведены ниже:

Емкость ковша Расчетная продолжительность цикла экскавации при Tц =25 с повороте платформы на 90о Габаритные размеры поворотной платформы с установленным оборудованием Масса поворотной платформы с установленным mпл = 37,8 т оборудованием Не достающие геометрические параметры рассчитаны из кинематической схемы экскаватора. При этом сделаны следующие дополнительные допущения:

экскаватор установлен на горизонтальной плоскости;

центр тяжести ковша при заполнении породой не смещается;

расчетный цикл экскавации грунта начинается с момента внедрения сопротивления движению ковша изменяются монотонно в функции геометрических переменных. Для нахождения необходимых соотношений использована кинематическая схема экскаватора (рисунок 5.2.1).

Усилие сопротивления движению ковша в направлении подъемного каната и оси рукояти экскаватора зависят от длины вытравленной части подъемного каната и длины выдвинутой части рукояти экскаватора. Внешняя нагрузка на механизм подъема складывается из проекций на ось, проведенную по направлению подъемного каната, силы сопротивления грунта копанию, силы веса ковша и рукояти и усилия напорного механизма. Для вычисления проекций этих сил необходима информация не только о мгновенных значениях длины вытравленной части подъемного каната и выдвинутой части рукояти экскаватора, но и о мгновенной ориентации в пространстве подъемного каната и оси рукояти относительно друг друга. Это возможно сделать с помощью углов и. За положительное направление движения механизма подъема принято направление в сторону выбирания подъемного каната. [35] Подъемный механизм предназначен для управления скоростью и направлением перемещения ковша экскаватора в вертикальной плоскости. В течение одного рабочего цикла механизм подъема выполняет следующие технологические операции:

подъем ковша в процессе копания в забое;

подъем груженого ковша для доставки к месту разгрузки;

удержание груженого ковша в поднятом состоянии на время разворота платформы к месту разгрузки;

опускание ковша для разгрузки в транспорт или в отвал;

подъем порожнего ковша для возвращения в забой;

удержание порожнего ковша в поднятом состоянии на время разворота платформы экскаватора в забой;

опускание порожнего ковша в забой.

Механизм подъема состоит из подъемной лебедки, соединенной канатами с ковшом экскаватора. Основные механические характеристики подъемного механизма приведены ниже:

Передаточное число редуктора механизма iрп =46,1 о.е.

подъемной лебедки Жесткость каната при упругой деформации Скп =7,7 кН м 5.3 Математическая модель механизма подъема экскаватора На основании приведенных исходных данных строится математическая модель механической части экскаватора.

В состав математической модели входят следующие блоки:

1. блок вычисления параметров движения рабочих органов механизма 2. блок определения результирующих усилий и моментов, приложенных В первом блоке вычисляются параметры движения ковша экскаватора в пространстве, путем решения системы дифференциальных уравнений в форме Коши, описывающих процессы в многомассовых системах электропривода [35].

Для механизма подъема система уравнений выглядит следующим образом:

где Jдп – суммарный момент инерции якоря двигателя подъема и приведенных к валу двигателя моментов инерции редуктора и барабана подъемной лебедки; Мупр – упругий момент, действующий в механизме подъема; п - радиус приведения электропривода подъема; Fсп – полное сопротивлений движению подъемного механизма. Механизмы подъема и напора связаны между собой через ковш экскаватора, в течение рабочего цикла экскавации породы происходит непрерывное перераспределение усилий между ними. Для механизма напора уравнения выглядят аналогичным образом:

Структурная схема блока вычисления параметров движения рабочих органов механизма подъема представлена на рисунке 5.3.1.

Рисунок 5.3.1 - Структурная схема блока вычисления параметров Для механизма напора структурная схема блока выглядит аналогичным образом.

Схема модели блока вычисления параметров движения рабочих органов механизма подъема, реализованная в среде Matlab представлена на рисунке 5.3.2.

Рисунок 5.3.2 - Схема блока вычисления параметров движения рабочих Во втором блоке определяются усилия, действующие на копающие механизмы экскаватора – механизмы подъема и напора [35]. Вычисление результирующих усилий, прикладываемых к этим механизмам, выполнено при следующих допущениях:

экскаватор установлен на ровной горизонтальной поверхности;

угол наклона стрелы к горизонту равен 45о;

центр тяжести ковша при заполнении его породой смещается сопротивления движению ковша в направлении подъемного каната и в направлении рукояти экскаватора изменяются монотонно в функции геометрических переменных, а именно, длины вытравленной части подъемного каната и длины выдвинутой части рукояти экскаватора. Внешняя нагрузка на механизм подъема складывается из проекций на ось, проведенную по направлению подъемного каната, силы сопротивления грунта копанию, силы веса ковша и рукояти и усилия напорного механизма. Вычисления этих составляющих осуществляются по следующим формулам (рисунок 5.3.3):

Рисунок 5.3.3 - Структурная схема для определения механических Уравнения для полных сопротивлений движению подъемного и напорного механизмов выглядят следующим образом:

где G(к+п)=( Gк+ Gп) – вес ковша с породой; Gк – вес порожнего ковша; Gп – вес перемещаемой породы; Rк ( R p Rп ) 2 Rн2 - полное сопротивление породы копанию; Rp – сопротивление грунта резанию; Rн – напорная составляющая сопротивления; Rп – подъемная составляющая сопротивления.

Структурная схема блока для определения механических нагрузок в механизмах подъема и напора представлена на рис. 6.4, схема блока в среде Matlab – рис. 5.3.4.

Рисунок 5.3.4 - Cхема блока для определения механических нагрузок в В третьем блоке формируются внешние возмущающие воздействия в процессе копания и транспортировки породы к месту разгрузки [35]. Для формирования возмущающих воздействий, действующих в системе, были введены следующие допущения:

равномерно. Вес ковша изменяется по линейному закону от Gк до в процессе копания ковш заполняется полностью;

полное сопротивление грунта Rк и его составляющие в процессе копания Rн и Rп остаются неизменными.

Перечисленные допущения соответствуют экскавации мягких и хорошо взорванных пород (песок, гравий, доломиты, бокситы и т.п.).

Усилия сопротивления движению ковша в направлении подъемного каната и в направлении рукояти экскаватора являются разрывной функцией времени. Разрыв непрерывности изменения нагрузки копающих механизмов происходит в двух характерных для типовой нагрузочной диаграммы точках:

в момент отрыва ковша от грунта обращается в нуль составляющая сопротивления грунта копанию Rк;

в момент разгрузки ковша обращается в нуль составляющая веса Изменение сопротивления грунта копанию во времени определяется следующим образом [6]:

Изменение веса ковша с породой во времени определяется следующим образом:

Структурная схема третьего блока приведена на рисунке 5.3. Рисунок 5.3.5 - Структурная схема для определения внешних воздействий на механизмы подъема и напора экскаватора при выполнении расчетного цикла Схема блока для определения внешних воздействий на механизмы подъема и напора экскаватора при выполнении расчетного цикла экскавации породы в среде Matlab представлена на рисунке 5.3.6.

Рисунок 5.3.6 - Схема блока для определения внешних воздействий на механизмы подъема и напора экскаватора при выполнении расчетного цикла Для моделирования привода с системой прямого управления моментом, были использованы данные полученные ранее.

При разработке модели формирования управляющего воздействия для системы управления электроприводом подъема было сделано допущение, что управляющие воздействия изменяются во времени в строгом соответствии с типовой нагрузочной диаграммой электропривода механизма подъема.

Расчетная нагрузочная и скоростная диаграммы электропривода механизма подъема экскаватора ЭКГ-5А, соответствующие расчетному циклу экскавации, приведены на рисунке 5.3.7.

Рисунок 5.3.7 - Нагрузочная характеристика механизма подъема экскаватора В приложении Б на рисунке Б.1 представлены кривые изменения частоты вращения двигателя механизма подъема, электромагнитный момент, развиваемый двигателем, амплитудные значения токf статора электродвигателя.

В пятой главе диссертации рассмотрены общие принципы моделирования кинематических особенностей и движения механизмов горных машин на примере механизма подъема карьерного экскаватора. Выводы к пятой главе заключаются в следующем:

движения механизма подъема карьерного экскаватора, реализующего нагрузочную характеристику подъема экскаватора ЭКГ – 5А;

алгоритмом прямого управления моментом с пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией для механизма подъема.

Полученные переходные процессы доказывают, что система управления с DTC вращающим моментом и поддержание потокосцепления статора на заданном уровне в асинхронных машинах. Коэффициент нелинейных искажений тока статора не превышает значения 4%. Единственным настраиваемым регулятором является регулятор скорости. Настройка релейных регуляторов заключается в установке желаемой частоты переключения ключей инвертора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

экспериментальные положения, представляющие совокупность научнотехнических решений задачи обеспечения максимального быстродействия по контуру тока (момента) асинхронного электропривода.

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 широтноимпульсной 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.

Андреев, В.П. Основы электропривода / В.П. Андреев, Ю.А. Сабинин. М.: Госэнергоиздат, 1963. 772 с.

Антоненков, А. В. Оптимальная искусственная нейронная сеть для исследования асинхронного двигателя, работающего со случайной нагрузкой.

Нейрокомпьютеры: разработка и применение, 2009 г., №7.- C. 15-19.

Бабак, А.Г. Принципы построения бездатчиковых систем управления вентильными ЭП / А.Г. Бабак // ЭЭТ: Электрон, и электрооборудование, трансп.

2006, № 2. - С. 9-10.

Балакришнан, А. Теория фильтрации Кальмана / А. Балакришнан; пер. с анг. -М.: Мир, 1988. -168 с.

высоковольтных электроприводов переменного тока на территории СНГ / Д.В.

Беляев // Труды XII научно-технической конф. "Электроприводы переменного тока". -Екатеринбург: УГТУ, 2001. С. 210 - 213.

Ботвинник, М.М. Асинхронизированная синхронная машина / М.М.

Ботвинник. -М.: Госэнергоиздат. 1960. – 180c.

Браславский, И.Я. Возможности энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов // Труды XI научно-технической конф. "Электроприводы переменного тока". Екатеринбург: УГТУ, 1998. С. 102Браславский, И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод:

учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.Я. Браславский, З.И. Ишматов, В.Н. Поляков; под ред. И.Я. Браславского. М.: Изд.центр "Академия", 2004. - 256 с.

Браславский, И.Я., Синтез нейроконтроллера для системы ТПН-АД / И.Я. Браславский, A.M. Зюзев, A.B. Костылев // Перспективные технологии автоматизации: тезисы докладов международной электронной научнотехнической конференции. Вологда, 1999. С. 78-79.

Важнов, А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока / А.И.

10.

Важнов. JL: Энергия. Ленингр. отд-ие, 1986. - 256 с.

11.

возбуждением в цепи ротора / А.И. Важнов // Электромеханика. 1959. №12.

Важнов, А.И. Электрические машины / А.И. Важнов. Л.: Энергия, 1968.с.

13.

электроприводом с фазным ротором: дис. кандидата техн. наук / A.B. Валов. Челябинск: ЮУрГУ, 2009. 166 с.

14.

с фазным ротором / A.B. Валов, Ю.С. Усынин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2007. -№>8. - С. 24 - 27.

15.

электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления / В.С. Горбик, Б.А. Момот // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2014. – №1.- С. 375-380.

Горбик В.С. Сравнение различных схем выпрямления в составе 16.

электроприводов переменного тока / В.С. Горбик, Б.А. Момот // Естественные и технические науки. – 2014. – №1. – С. 335-338.

17.

асинхронным электроприводом с обеспечением максимального быстродействия по контуру тока (момента) / В.С. Горбик // Електромеханічні і енергозберігаючі системи.- Украина.- Кременчуг.- 2012.- С.373- Горбик В.С. Асинхронный высокодинамичный электропривод для 18.

горных машин и механизмов / В.С. Горбик // Международная заочная Научнопрактическая конференция: матер. конф. – СПб.- 2013.- С. 91-94.

Горбик В.С. Исследование ЭМС асинхронного электропривода с DTC 19.

алгоритмом управления при питании инвертора от активного выпрямителя с питающей сетью / В.С. Горбик, Б.А. Момот // IX международная научнотехническая конференция: матер. конф. – Омск.- 2013.-С. 332-341.

20.

горнопромышленной декады Энергосберегающие технологии. 2005. - С. 194Дианов А.Н. Методика тестирования контроллеров для управления 21.

двигателями и создание стенда для автоматизированного тестирования / А.Н.

Дианов // Девятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов, 2003, МЭИ, т.2, с.91 - 92.

22.

управления электроприводом. Семейство «Motor Control» фирмы Analog Devices II «Электронные компоненты» №8,2002, с. 101-106.

Дианов А.Н. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления 23.

электроприводом. Часть 2. Семейства «DashDSP» и «Mixed Signal DSP» фирмы Analog Devices II «Электронные компоненты» №1,2003, с. 69-74.

Дианов, А.Н. Способы определения начального положения ротора для 24.

электроприводов с синхронными двигателями / А.Н. Дианов // Десятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов, МЭИ, т.2, с. 102-103.

Дианов, А. Н. Разработка и исследование системы бездатчикового 25.

управления вентильным двигателем: Дис.. канд. техн. наук / А. Н. Дианов Москва, 2004. – 200 с.

Дианов, А.Н. Определение начального положения ротора для приводов с 26.

синхронными машинами / А.Н. Дианов // Труды МЭИ, выпуск 679, с.66-73.

Жуловян, В.В. Электромеханическое преобразование энергии: Учеб.

27.

пособие / В.В. Жуловян. Новосибирск: Издательство НГТУ, 2005. - 448 с.

Ильинский, Н.Ф. Автоматизированный электропривод / Н.Ф. Ильинский, 28.

М.Г. Юньков. М.: Энергоатомиздат. - 1986. - 448 с.

29.

двигателя в бездатчиковой системе векторного управления / Исаков A.C. Научно-технический вестник. СпбГУ ИТМО. 2008, № 47. - С. 126-131.

Исаков, A.C. Реализация наблюдателя состояний асинхронного двигателя 30.

с короткозамкнутым ротором в бездатчиковой системе векторного управления / A.C. Исаков // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. -2007. -№38.- С.

280- Карлв, Б.И. Устойчивость системы бездатчкового векторного управления 31.

АД с наблюдателем потокосцепления на основе потенциальной модели / Б.И.

Карлв // Электротехнические комплексы и системы упр. 2007, № 1.-С. 19-23.

Кенио, Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы 32.

управления: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 200 с.

Ключев, В.И. Электропривод и автоматизация общепромышленных 33.

механизмов: учебник для вузов / В.И. Ключев, В.М. Терехов.- М.: Энергия, 1980. 360 с.

34.

контроллеров МК 11.x / В.Ф. Козаченко, А.Н. Дианов, A.C. Анучин, Кайо Ю // Труды МЭИ, выпуск 678,с.ЗЗ-41.

35.

управление моментом в электроприводе переменного тока / А. Е. Козярук, В. В.

Рудаков – СПб.: СПГГИ(НИУ), 2007.-75 с.

36.

обеспечение частотно-регулируемых электроприводов / / А. Е. Козярук, В. В.

Рудаков – СПб.: СПбЭК, 2004. - 64 с.

37.

переменного тока машин и механизмов горного производства – СПб.:

СПГГИ(НИУ), 2008. - 99 с.

Колпаков, А. А. Перспективы развития электропривода / А. А. Колпаков 38.

// Силовая Электроника. – 2004. - №1. – с.46-48.

Кононенко, Е.В. Электрические машины (спец. курс). Учебное пособие 39.

для вузов / Е.В. Кононенко. М.: Высшая школа, 1975. - 279 с.

Копылов, И.П. Математическое моделирование асинхронных машин / 40.

И.П. Копылов, Ф.А. Мамедов, В.Я. Беспалов. -М.: Энергия. 1969. – 388 с.

Копылов, И.П. Проектирование электрических машин / И.П. Копылов.

41.

М.: Энергия, 1980. - 488 с.

Копылов, И.П. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / под общ.

42.

ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. Т. 1. М.: Энергоатомиздат, 1988. -456 с.

Копылов, И.П. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / под общ.

43.

ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. Т. 2. М.: Энергоатомиздат, 1989. -688 с.

44.

Петровский. Л.: Энергия. -1973. – 190 с.

Костылев, A.B. Развитие теории и разработка усовершенствованных 45.

электроприводов на основе системы тиристорный преобразователь напряжения асинхронный двигатель: дис. конд. техн. наук. / A.B. Костылев. -Екатеринбург, 2000. - 204 с.

46.

динамических систем / С.А. Краснова, В.А. Уткин М.: Наука, 2006. - 272 с.

47.

В.В. Борисов. М.: Горячая линия-Телеком, 2002. - 382с.

48.

в электроприводе / Ф.В. Кудрявцев, А.Н. Ладыгин // Приводная техника, 1998. С. 21 -28.

Кузовков, Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства / Н.Т.

49.

Кузовков. М.: Машиностроение, 1976. - 184 с.

Лезнов, Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и 50.

воздуходувных установках / Б.С. Лезнов. М.: Энергопромиздат, 2006. - 359 с.

Масандилов, Л.Б. Опыт разработки и применения асинхронных 51.

электроприводов с тиристорными преобразователями напряжения / Л.Б.

Масандилов, В.А. Анисимов, А.О. Горнов, Г.А. Крикунчик В.В. Москаленко // Электротехника, 2000 № 2. - С. 32 - 36.

52.

асинхронного двигателя / Л.Б. Масандилов, Ю.И. Гетман. В.Л. Мелихов // Электротехника, 1994. № 5-6. - С. 16 - 20.

Мейстель, A.M. Электропривод и автоматизация промышленных 53.

установок 1969: "Тиристорное управление асинхронными короткозамкнутыми двигателями" / A.M. Мейстель, Л.М. Спивак. М., 1971. - 186 с.

Микитченко, А.Я. Получение информации о координатах асинхронного 54.

двигателя посредством датчиков Холла / А.Я. Микитченко // Электроприводы переменного тока. Труды 11-й научно-технической конференции. Екатеринбург: УГТУ. 1998. С. 196-199.