Введение к работе
Актуальность темы. Одной из самой распространенной в России является открытая технология добычи полезных ископаемых. Основным средством выемочно-погрузочных работ является экскаватор.
Наиболее распространенной машиной среди экскаваторов с механическим оборудованием прямой лопатой, применяющейся в основном для добычи строительных материалов (щебенка, песок и т.д.), является экскаватор ЭКГ-4,6 и его модификация ЭКГ-5. На горно-обогатительных комбинатах (ГОКах) наиболее массовой машиной является ЭКГ-8И. Среди вскрышных экскаваторов драглайнов распространенными являются машины ЭШ-6/45 и ЭШ-10/70.
На сегодняшний день самой распространенной системой электропривода (ЭП) основных механизмов на работающих экскаваторах остается система «Генератор - Двигатель» (Г-Д). Большинство таких экскаваторов работают с сверхнормативными сроками эксплуатации. При неизбежной модернизации или капитальных ремонтах возникает вопрос об альтернативе замены электротехнического оборудования главных приводов с морально устаревшей системы Г-Д на другую. Целями модернизации являются прежде всего повышение коэффициента полезного действия (КПД) (система Г-Д имеет КПД около 81 % в номинальном режиме) и надежности. В качестве вариантов систем ЭП на сегодняшний день предлагаются системы «тиристорный преобразователь-двигатель постоянного тока» (ТП-Д) и «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ -АД). Первый вариант является оптимальным по энергетическим и динамическим параметрам при модернизации экскаваторного парка, так как требует минимум капитальных затрат. Однако наличие щеточно-коллекторного узла уменьшает надежность ЭП. Аварийный режим опрокидывания инвертора может создавать недопустимые динамические удары в кинематических цепях.
Более перспективным направлением модернизации экскаваторного электрооборудования является разработка ЭП переменного тока. Несмотря на множество работ, посвященных данной тематике, количество реальных внедрений в производство незначительно. В 1990 г на разрезе "Сафроновский" АО "Востсибуголь" был пушен в эксплуатацию ЭШ 20.90 №39 с системой НПЧ находящейся в эксплуатации по настоящее время. Единственный на 2012г. запущенный в промышленную эксплуатацию на Краснобродском угольном разрезе, экскаватор ЭКГ-32Р по системе автономный инвертор напряжения (АИН) АНН-АД производства "ИЗ-картекс". Внедрение систем ПЧ-АД затрудняет практически полное отсутствие электродвигателей экскаваторного исполнения отечественного производства.
Большинство выпускаемых преобразователей выполнены на базе АИН. Такие ПЧ имеют ряд недостатков. Это, прежде всего наличие в системе батареи конденсаторов большой емкости, большая установленная мощность системы. Проблема рекуперации электрической энергии решается применением активных выпрямителей, что, влечет за собой дополнительное увеличение габаритов ЭП и уменьшение КПД.
Тиристорные непосредственные преобразователи частоты (ТНПЧ) отли-
чаются от транзисторных АИН прежде всего беспрепятственным обменом энергией между сетью и нагрузкой, что не требует специальных устройств рекуперации, отсутствием значительных по емкости конденсаторов и большим КПД вследствие меньшего падения напряжения на силовых ключах и меньшими потерями их переключения. Опрокидывание инвертора, как показывают исследования (Кадыров И.Ш. и др.), в этих ЭП оказывает значительно меньшее влияние на механику экскаватора, чем система ТП-Д.
В то же время большие, чем в системе ТП-Д, габариты силовой части ЭП создают проблему с размещением оборудования при модернизации экска-
ваторов с объемом ковша до 5м , так как размеры машинного отделения небольшие. Применение же двухфазного АД (2фАД) совместно с двухфазным ти-ристорным НПЧ (ТНПЧ) позволяет решить эту проблему. В работах Беспалова В.Я., Качалиной Е.В. показана возможность проектирования двухфазных АД для экскаваторных электроприводов, не уступающих по энергетическим показателям двигателям с традиционной трехфазной обмоткой.
Применение в качестве силовых ключей тиристоров, с одной стороны увеличивает надежность ПЧ (большая, чем у транзисторов, перегрузочная способность). С другой стороны известный недостаток, такой как ограниченный сверху диапазон регулирования частоты выходного напряжения, не способствуют широкому распространению данного типа ПЧ.
Известны работы Ключева В.П., Микитченко А.Я, Благодарова Д.А., Грекова Э.Л. и др., посвященные разработке и исследованию экскаваторного электропривода на базе ТНПЧ, в которых использовалась частотно-токовая система управления В то же время векторные системы частотно-регулируемого электропривода позволяют получить наибольшее быстродействие и точность ограничения максимально допустимого момента при резком стопорений в режиме копания. Однако такой вид систем применительно к ТНПЧ ранее не исследовались.
На сегодняшний момент дальнейшая перспектива развития ЭП также заключается в разработке микропроцессорных систем управления, позволяющих добиться большей унификации, точности работы и защиты.
Актуальность работы заключается в разработке и исследовании электропривода подъема карьерного экскаватора ЭКГ-5 по системе ТНПЧ-2фАД, с микропроцессорным векторным регулированием.
Целью диссертационной работы является разработка частотно-регулируемого ЭП подъема карьерного экскаватора ЭКГ-5 при его модернизации, работающего в интенсивном повторно-кратковременном режиме с частыми перегрузками вплоть до стопорения, и обеспечивающего повышение производительности и энергосбережение.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Разработка и исследование модели ЭП подъема с векторной системой управления (ВСУ) ТНПЧ при ориентации по потокосцеплению ротора с учетом питания АД от ТП и дискретного управления по времени, а также требований к экскаваторному ЭП. Проверка ее адекватности в статических и динамических режимах.
-
Разработка способа формирования управляющих сигналов тиристор-ных реверсивных преобразователей с раздельным управлением, обеспечивающего необходимый фазовый сдвиг между напряжением и током обмоток статора в различных режимах работы ЭП с ВСУ.
-
Определение требуемого закона управления потокосцеплением ротора во второй зоне регулирования при спуске пустого ковша с целью достижения максимально возможной перегрузочной способности.
-
Разработка структурной схемы ВСУ ЭП с ТНПЧ, обеспечивающей уменьшение колебаний момента двигателя при формировании выходных частот выше 25 Гц.
-
Сравнительный анализ энергетических показателей систем ЭП переменного и постоянного тока механизма подъема экскаватора ЭКГ-5, построенных на базе тиристорных преобразователей.
-
Разработка макетного образца системы ТНПЧ-2фАД мощностью 200 кВт, предназначенного для модернизации ЭП подъема ЭКГ-5. Проведение экспериментальных исследований для проверки и подтверждения основных положений работы.
Методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, теории электропривода, теории автоматического управления, компьютерного моделирования в программном пакете Matlab/Simulink и физического макетирования.
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается результатами компьютерного моделирования и результатами экспериментальных исследований на физическом макетном образце.
Основные положения выносимые на защиту:
-
Структура цифровой векторной системы управления ТНПЧ ЭП подъема экскаватора ЭКГ-5, отличающаяся новым алгоритмом системы импульсно-фазового управления, способом формирования задания управления тиристор-ным преобразователем.
-
Методика определения требуемого закона изменения потокосцепле-ния ротора во второй зоне регулирования при спуске пустого ковша, обеспечивающего максимально возможный перегрузочный момент, с учетом ограничения тока статора, и уменьшения эффективного значения первой гармоники выходного напряжения ТНПЧ с ростом ее частоты.
-
Способ компенсации отставания вектора тока статора от расчетного положения в ВСУ, обеспечивающий повышение устойчивости ЭП при работе на частотах выше 25 Гц, заключающийся в измерении временного сдвига между изменениями полярности задания на переключение реверсивных групп ТП и тока статора.
-
Схемотехнические решения и программная реализация алгоритмов управления векторной системы электропривода с ТНПЧ, физический макетный образец мощностью 200 кВт, предназначенный для модернизации привода подъема ЭКГ-5, и результаты экспериментальных исследований.
Научная новизна В диссертационной работе получены следующие ос-
новные научные результаты:
-
Разработана компьютерная модель ЭП подъема экскаватора ЭКГ-5, в которой реализованы новые способы формирования задания на потокосцепле-ние статора, заданий управления ТП и компенсации отставания тока статора от задающего сигнала, алгоритмы реального программного обеспечения управляющих контроллеров блока управления ТНПЧ, позволяющая исследовать статические и динамические процессы и энергетические показатели ЭП.
-
Предложена методика определения требуемого закона изменения по-токосцепления ротора на основе расчета необходимого напряжения на статоре двигателя в зависимости от статического момента и частоты выходного напряжения ПЧ, обеспечивающего максимальный возможный перегрузочный момент, и позволяющий исключить насыщение регуляторов ВСУ при работе во второй зоне регулирования.
-
Разработан способ компенсации отставания тока статора от задающего сигнала по времени задержки переключения реверсивных групп тиристоров, обеспечивающей уменьшение до 15% колебания момента АД при работе на частотах выше 25 Гц.
-
Разработан способ синхронизации цифровой системы управления с питающей сетью, обеспечивающий помехоустойчивую работу системы им-пульсно-фазового управления при значительной до 15 электрических градусов длительности коммутационных провалов питающего напряжения.
-
На основе компьютерного моделирования получены результаты исследования энергетических характеристик экскаваторного электропривода показывающие, что система электропривода ТНПЧ-2фАД в номинальном режиме работы имеет КПД на 8% больше, чем в системе Г-Д, и на 3% больше, чем в системе ТНПЧ-ЗфАД.
Практическая ценность и реализация работы заключается в том, что
-
Разработана методика расчета коэффициентов регуляторов ВСУ с ТНПЧ, учитывающая особенность цифровой системы управления, позволяющая использовать ее при разработке систем управления частотно-регулируемых ЭП на базе 16-ти разрядных микропроцессоров с арифметикой с фиксированной точкой.
-
Разработана методика выбора частот дискретизации ВСУ и параметров отрицательной обратной связи по скорости при применении инкрементального энкодера, в зависимости от разрядности самого датчика.
-
Разработанная компьютерная модель экскаваторного ЭП по системе ТНПЧ-2фАД позволяет выполнять проверочный расчет энергетических показателей по нагрузочной диаграмме и тахограмме с целью минимизации потерь в питающей сети и в трансформаторе путем подбора мощности фильтро-компенсирующего устройства (ФКУ).
-
Результаты диссертационной работы, а именно схемотехнические решения, способ синхронизации СИФУ, настройка цифровых регуляторов, алгоритм пуско-наладки ВСУ, внедрены в производство ОАО "Рудавтоматика" при проектировании тиристорных низковольтных комплектных устройств ЭП карьерных экскаваторов. Компьютерная модель ЭП с ВСУ ТНПЧ внедрена в учеб-
ный процесс кафедры автоматизированного электропривода и электромеханики Оренбургского государственного университета при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам: «Энергетическая электроника», «Электрический привод» и «Математическое моделирование в электроприводе».
5. Результаты диссертации, а именно методики расчета коэффициентов регуляторов ВСУ, определения параметров обратной связи по скорости и требуемого закона изменения потокосцепления во второй зоне регулирования, были использованы при выполнении научно-технической работы по гранту Оренбургской области на тему: «Разработка промышленного образца управляемого электропривода насосного агрегата на базе энергосберегающего асинхронного двигателя серии АДМ со встроенным преобразователем частоты для нужд системы ЖКХ». Соглашение № 35-г от «03» октября 2012 г.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Всероссийской научно-практической конференции «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (г. Оренбург, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и практики в профессиональном развитии педагога» (г. Оренбург, 2010 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (г. Оренбург, 2010, 2012 г.); VII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г. Чебоксары, 2010 г); V Всероссийская научно-техническая конференция «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (г. Оренбург, 2011 г); X Всероссийская научно-техническая конференция «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (г. Чебоксары, 2013 г);
на заседаниях кафедры автоматизированного электропривода ФГБОУ ВПО ОГУ, г. Оренбург в 2007-2013г.;
на заседании кафедры автоматизированного электропривода и меха-троники ФГБОУ ВПО МГТУ им. Г. И. Носова, г. Магнитогорск в 2012 и 2013г.;
на заседаниях научно-технического совета ОАО «Рудоавтоматика», г. Железногорск (Курская область) в 2010-2013г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 10 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве, в том числе 3 статьях в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ. Получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 85 наименований. Работа изложена на 183 страницах основного текста, содержит 103 рисунка, 14 таблиц и 4 приложений общим объемом 29 страницы.
