Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих систем экскаваторных электроприводов 11
1.1. Состав и назначение главных механизмов карьерных экскаваторов - прямых лопат 11
1.2. Технические требования к электроприводам главных механизмов экскаваторов 12
1.3. Экскаваторные электроприводы постоянного тока по схемам трехобмоточный генератор -двигатель и СМУ-Г-Д 16
1.4. Экскаваторные электроприводы постоянного тока по схемам ТВ-Г-ДиТП-Д 23
1.5. Электропривод переменного тока для главных механизмов карьерных экскаваторов 33
1.6. Выводы 35
2. Математическая модель экскаватора как единой электромеханической системы 36
2.1. Методы математического моделирования электроприводов главных механизмов экскаваторов 36
2.2. Постановка задачи моделирования экскаватора как единой электромеханической системы 40
2.3. Моделирование процессов в главных механизмах экскаваторов 43
2.4. Математическая модель электроприводов главных механизмов экскаватора, выполненных по системе СМУ-Г-Д постоянного тока 57
2.5. Математическая модель экскаватора ЭКГ-5А 71
2.6. Выводы 75
3. Электроприводы переменного тока для главных механизмов экскаватора 77
3.1. Сопоставление возможных систем экскаваторных электроприводов переменного тока 77
3.2. Сопоставление систем управления экскаваторными электроприводами переменного тока 80
3.3. Структурная схема экскаваторных электроприводов переменного тока с векторным управлением 89
3.4. Математическая модель экскаватора ЭКГ-5А с векторным управлением электроприводами переменного тока главных механизмов 94
3.5. Структурная схема экскаваторных электроприводов переменного тока с DTC-управлением 96
3.6. Математическая модель экскаватора ЭКГ-5А с DTC-управлением электроприводами переменного тока главных механизмов 104
3.7. Выводы 107
4. Сопоставление энергетических показателей экскаваторных электроприводов 108
4.1. Энергетические соотношения в штатной схеме экскаватора ЭКГ-5А 108
4.2. Энергетические соотношения в экскаваторных электроприводах переменного тока с векторным управлением 111
4.3. Энергетические соотношения в экскаваторных электроприводах переменного тока с DTC-управлением 113
4.4. Выводы 116
5. Управляемый выпрямитель с активным передним фронтом 117
5.1. Принцип действия выпрямителя с активным передним фронтом 117
5.2. Анализ силовой элементной базы для построения выпрямителя с активным передним фронтом 121
5.3. Математическая модель выпрямителя с активным передним фронтом 128
5.4. Выводы 133
Заключение 134
Список литературы 135
Приложение 1 146
Приложение 2 157
- Экскаваторные электроприводы постоянного тока по схемам трехобмоточный генератор -двигатель и СМУ-Г-Д
- Постановка задачи моделирования экскаватора как единой электромеханической системы
- Сопоставление систем управления экскаваторными электроприводами переменного тока
- Анализ силовой элементной базы для построения выпрямителя с активным передним фронтом
Введение к работе
Актуальность работы. Одноковшовые карьерные экскаваторы предназначены в основном для проведения горных работ при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. Преобладающую часть парка (около 70%) составляют карьерные гусеничные экскаваторы - лопаты с объемом ковша от 5 до 20 м3. Для главных механизмов экскаваторов характерна цикличность работы при экстремальных механических нагрузках, в том числе ударных, которые носят случайный характер. Движение ковша в забое отличается большой неравномерностью вплоть до полного стопорения при встрече с непреодолимым препятствием. Главные механизмы экскаватора работают в режиме частых пусков, реверсов и торможений (до 300 в час).
В настоящее время карьерные экскаваторы оснащаются, почти исключительно, электроприводом постоянного тока, однако приведенные выше факторы приводят к необходимости искать новые пути построения систем электропривода главных - механизмов. Одним из них является использование для экскаваторных механизмов частотно-регулируемых электроприводов переменного тока. Широкое внедрение в экскаваторный электропривод систем переменного тока до недавнего времени сдерживалось невозможностью создания в приемлемых массах и габаритах достаточно надежных преобразователей частоты экскаваторной мощности. Появление на мировом рынке силовых IGBT-транзисторных модулей и IGCT-тиристорных модулей открыло новые возможности по созданию силовой части преобразователей частоты. Неоспоримые успехи в развитии микропроцессорной техники обусловили новые возможности по построению систем управления частотным электроприводом переменного тока. Современные преобразователи частоты выполнены, как правило, по схеме неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напря-
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА . sntatft
жения. Это обстоятельство отрицательно сказывается на энергетической эффективности экскаваторных электроприводов. В то же время на основе той же элементной базы возможно построение управляемого выпрямителя. Сочетание такого выпрямителя со статическим инвертором в составе преобразователя частоты позволяет реализовать систему экскаваторного электропривода переменного тока, обеспечивающую все характерные для таких систем режимы.
К настоящему времени проведен большой объем работ по созданию электропривода переменного тока для главных механизмов карьерных экскаваторов как в Российской Федерации, так и за рубежом. Среди них можно выделить работы Ключева В.И., Парфенова Б.М., Постникова СМ., Миронова Л.М., Микитченко А.Я., Сапелъникова А.С., Березина В.В., Олъховикова Б.В., Лисицына В.П. Полинского М.Б., Дружинина А.В., Бабенко А.Г., Резниковского А.М. и др. Интерес к экскаваторному электроприводу переменного тока проявляют также многие ведущие зарубежные фирмы. Так фирма ABB (Швейцария) предложила комплектные экскаваторные электроприводы переменного тока для машин средней мощности (с объемом ковша до 10 м3). Фирма Bisyrus Erie (США) в 70-х годах прошлого века полностью перешла на частотно-регулируемый электропривод переменного тока по схеме «преобразователь частоты со звеном постоянного тока — асинхронный двигатель» для экскаваторов всех типоразмеров. В 1980 г. ими был выпущен экскаватор типа 395-В с электроприводом, выполненным по схеме неуправляемый выпрямитель -автономный инвертор напряжения с ШИМ-модуляцией -асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором фирмы Siemens. При суммарной мощности приводов 3000 кВт в них применялось динамическое торможение, вследствие чего система оказалась громоздкой и имела низкий КПД. В 2001 г. фирма ABB предложила Лебединскому ГОК проект модерни-
зации электропривода экскаватора ЭКГ-8И, по которому каждый двигатель должен быть оснащен индивидуальным инвертором с ШИМ-модуляцией, получающим питание от общих шин постоянного тока. Звено постоянного тока связано с сетью через реверсивный управляемый выпрямитель на запираемых тиристорах (GTO) мощностью 1700 кВт и разделительный трансформатор 6,0 / 0,4 кВ, что обеспечивает высокий коэффициент мощности во всех режимах с возможностью рекуперации энергии в сеть.
Тем не менее, совершенствование экскаваторных электроприводов переменного тока как в плане повышения эксплуатационной надежности и долговечности механического оборудования, так и в плане повышения энергетических показателей путем построения системы экскаваторных электроприводов как единого комплекса, является задачей актуальной.
Цель работы. Целью работы является создание рациональной системы экскаваторного привода переменного тока.
Идея работы состоит в использовании при построении комплексной системы экскаваторных электроприводов переменного тока современной силовой элементной базы и нового алгоритмического обеспечения микропроцессорной системы управления, обеспечивающей ограничение механических нагрузок и снижение потерь энергии как механической, так и электромагнитной природы.
Задачи исследования
разработка математической модели экскаватора как объекта регулирования в виде единой механической системы;
обоснование применения в экскаваторном электроприводе системы ПЧ-АД с преобразователем частоты, выполненным по схеме активный выпрямитель - автономный инвертор.
анализ энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии в такой системе;
- обоснование выбора алгоритма частотного управления
бесконтактным электроприводом главных механизмов карьер
ного экскаватора с целью обеспечения максимальной произво
дительности и улучшения динамических характеристик.
Защищаемые научные положения
- Математическая модель экскаватора в виде единой элек
тромеханической системы, реализующей физические процессы
как электромагнитной, так и механической природы, позволя
ет выполнить сопоставительный анализ новых алгоритмов
управления комплексом бесконтактных электроприводов
главных механизмов экскаватора.
-Экскаваторный электропривод с асинхронным двигателем, реализующий все эксплуатационные режимы, включая рекуперативное торможение и силовое удержание ковша, содержит в качестве звена постоянного тока выпрямитель с активным передним фронтом, в качестве звена переменного тока - автономный инвертор напряжения, а в качестве закона регулирования - алгоритм прямого управления моментом.
- Разработанный алгоритм частотного управления электро
приводами обеспечивает требуемое качество регулирования
параметров движения механизмов подъема, напора и поворота
экскаватора с обеспечением максимального быстродействия
по внутреннему контуру.
Методы исследований. При проведении теоретических исследований были использованы аналитические методы теории электропривода и теории автоматического регулирования, численные методы решения систем дифференциальных уравнений и математическое моделирование с использованием пакета программ Matlab 6.0. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных макетах элементов системы.
Научная новизна работы
-Разработана математическая модель экскаватора с электроприводами главных механизмов, выполненными по систе-
ме Г-Д постоянного тока с возбудителями на основе магнитных усилителей.
- На основании разработанной модели создана модель экс
каватора с электроприводами главных механизмов, выполнен
ными на переменном токе с асинхронными короткозамкнуты-
ми двигателями.
-Разработаны системы управления экскаваторными электроприводами переменного тока с алгоритмом векторного управления и с алгоритмом прямого управления моментом. При сопоставлении результатов моделирования предпочтение отдано системе с прямым управлением моментом.
- Создана методика расчета системы регулирования экска
ваторным электроприводом с нелинейными регуляторами пе
ременных состояния.
Обоснованность и достоверность работы
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов определяется большим объемом теоретических исследований на математических моделях, а также удовлетворительной сходимостью результатов, полученных в процессе теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы
Предлагаемая система электропривода с реализацией алгоритма прямого управления моментом (DTC-алгоритма) позволяет получить экскаваторный электропривод, имеющий удовлетворительные динамические показатели, особенно по контуру тока (электромагнитного момента).
Разработанная система частотно-регулируемого электропривода переменного тока для главных механизмов экскаваторов универсальна, т.е. одинакова для всех механизмов.
Разработана система микропроцессорного управления для комплекса электроприводов главных механизмов одноковшовых карьерных экскаваторов.
-Разработана инженерная методика расчета регуляторов экскаваторных электроприводов переменного тока, реализующих DTC-алгоритм.
Апробация
Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и получили положительную оценку на II Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» в г. Новочеркасске, на XXX юбилейной неделе науки в СШТИ(ТУ) 26 ноября - I декабря 200! г. в г. Санкт Петербурге, а также на ежегодных конференциях молодых ученых в СПГГИ(ТУ) 2000-2002 гг.
Личный вклад автора
Создана математическая модель экскаватора как объекта управления с учетом механических и электрических связей между элементами системы. В основу математических моделей положены технические данные серийных экскаваторов типа ЭКГ-5А, поскольку это самая массовая серия карьерных экскаваторов, выпускаемых в Российской Федерации.
Разработан алгоритм управления преобразователем частоты по системе активный выпрямитель - автономный инвертор напряжения применительно к экскаваторным приводам.
-Выполнено теоретическое исследование средствами математического моделирования энергетических соотношений в электроприводах главных механизмов при выполнении расчетного цикла экскавации грунта.
- Предложена методика расчета регуляторов экскаваторно
го электропривода переменного тока, в том числе с реализаци
ей алгоритма прямого управления моментом.
Реализация результатов работы
Результаты исследований использованы при выполнении хоздоговорной работы между кафедрой ЭиЭМ СПГГИ(ТУ) и ОАО «Электросила» в 2002 году.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 научных работ в периодических изданиях, в сборниках научных трудов и в сборниках тезисов докладов научно-технических конференций.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 128 наименований и 2 приложений. Основной текст диссертации изложен на 145 страницах, включает в себя 32 рисунка и 11 таблиц. Общий объем работы - 159 страниц.
Экскаваторные электроприводы постоянного тока по схемам трехобмоточный генератор -двигатель и СМУ-Г-Д
На карьерных экскаваторах серии ЭКГ ранних выпусков для электроприводов главных механизмов была использована система генератор-двигатель с трехобмоточным генератором и с релейно-контакторным управлением. Эти машины зарекомендовали себя как достаточно надежные и производительные. Первыми моделями экскаваторов, оснащенных такой системой электропривода, были ЭКГ-3,2И и ЭКГ-4, выпускавшиеся Уралмашзаводом [92]. На этих экскаваторах генераторы главных механизмов были объединены в общий электромашинный агрегат, приводившийся во вращение высоковольтным асинхронным двигателем типа АЭ-113-4. В состав генераторного агрегата входили генератор механизма подъема типа ПЭ-2000, генератор механизма напора типа ПЭ-400, генератор механизма поворота типа ПЭ-1000, который использовался также для электропривода хода. Кроме того, в пятимашинный генераторный агрегат входил электромашинный возбудитель двигателей главных механизмов — генератор типа МП-542-1/2. В генераторах главных механизмов использовались три обмотки возбуждения, а именно: обмотка независимого возбуждения L1G; обмотка параллельного возбуждения L2G; обмотка последовательного возбуждения L3G.
Обмотка независимого возбуждения получала питание от генератора собственных нужд напряжением 115 В и выполняла функции задающего входного воздействия. Составляющая магнитного потока генератора от действия независимой обмотки возбуждения изменялась путем введения в цепь этой обмотки дополнительного сопротивления. Величина добавочного сопротивления изменялась ступенчато, для чего были использованы первые три положения коман-доконтроллера. Реверс электропривода также осуществлялся по цепи обмотки независимого возбуждения. Обмотка параллельного возбуждения генератора получала питание от напряжения якоря генератора через дополнительные сопротивления. Эта обмотка выполняла функции жесткой положительной обратной связи по напряжению генератора. Составляющая магнитного потока генератора от действия параллельной обмотки возбуждения во всех режимах работы электропривода направлена согласно с составляющей магнитного потока от действия обмотки независимого возбуждения и изменялась путем введения в цепь этой обмотки одной ступени дополнительного сопротивления, для чего использовалось четвертое положение командоконтроллера. Обмотка последовательного возбуждения генератора включалась в цепь тока якоря системы Г-Д. Эта обмотка выполняла функции гибкой отрицательной обратной связи по току якорной цепи электропривода. Составляющая магнитного потока генератора от действия последовательной обмотки во всех режимах работы электропривода была направлена встречно составляющим магнитного потока от действия обмоток независимого и параллельного возбуждения.
По данным [9] в электроприводе механизма подъема экскаватора ЭКГ-4 в качестве исполнительного двигателя использован двигатель типа ДПЭ-62, в электроприводе механизма напора - двигатель типа ДПЭ-52, в электроприводе механизма поворота - два двигателя типа ДПВ-52, а в электроприводе механизма хода - двигатель типа ДПЭ-52. Цепь обмотки независимого возбуждения при включенном преобразовательном агрегате всегда находится под напряжением. Эта обмотка подключена к возбудителю через параллельно включенные ступени сопротивления R8 и Re», которые отключаются при ослаблении поля двигателя для перевода привода во вторую зону регулирования. Этот режим используется при спуске ковша на пятом положении командоконтроллера. KMl, KM2 - контакторы направления «вперед» - КМ1 и «назад» - КМ2; R1.. .R5 - сопротивления в цепи независимой обмотки возбуждения L1G; R6, R7 - сопротивления в цепи параллельной обмотки возбуждения L2G; К1.. .К4 - контакты командо контроллера управления электроприводом.
В электроприводе механизма напора экскаватора ЭКГ-4 используется аналогичная схема за исключением режима ослабления поля двигателя, который в этом приводе не используется. В электроприводе механизма поворота экскаватора ЭКГ-4 использована двухдвигательная схема с последовательным включением якорных обмоток и параллельным соединением обмоток независимого возбуждения.
Конструкция и электрическая схема приводов главных механизмов экскаватора ЭКГ-4 была в 1962 г. усовершенствована. Модернизированная модель экскаватора получила обозначение ЭКГ-4,6. Производительность экскаватора по данным [11] повысилась на (12-15)%, по другим источникам - на 20%.
В электроприводах главных механизмов экскаваторов этого типа была использована схема СМУ-Г-Д. В качестве возбудителя генераторов в электроприводах главных механизмов был применен силовой реверсивный магнитный усилитель типа ПДД-1,5В.
Постановка задачи моделирования экскаватора как единой электромеханической системы
Как показано в [26], на работу главных механизмов экскаватора существенное влияние оказывает целый ряд случайных факторов, учет которых можно осуществить только путем вероятностных оценок. Эти факторы условно можно разделить на четыре классификационные группы. Первая группа объединяет факторы воздействия на механизмы недетерминированности физико-механических свойств извлекаемой породы и условий разработки. К этой группе можно отнести: - неодинаковую массовую плотность извлекаемой породы; - различия формы и габаритов кусков взорванной породы; - изменчивость высоты уступа забоя в процессе отработки; - неопределенность размещения транспортного средства от цикла к циклу и, как следствие, разный угол поворота платформы экскаватора. Вторая группа - это факторы, которые определяются недетерминированностью внешних условий эксплуатации экскаватора. К этой группе можно отнести: - географическое расположение разрабатываемого месторождения [69]; - зависимость состояния грунта от времени года, например, возрастание плотности грунта вследствие промерзания в зимний период; - внешние климатические условия, например, изменение массовой плотности извлекаемой породы от изменения влажности в дождливый период. Третья группа - факторы, вызванные недетерминированностью механической схемы механизма, в частности, неравномерностью износа отдельных деталей и узлов подвижных механизмов. К этой группе относятся: - различия в жесткости элементов механического оборудования, возни кающие из-за старения металла длинных металлоконструкций стрелы, рукояти и др.; - возникновение люфтов в механических передачах вследствие разной степени износа зубьев зубчатых кинематических передач, например, зубчатого венца по периметру; - изменения жесткости канатов лебедок вследствие старения и т.п. Четвертая группа факторов имеет для экскаваторов особое значение. Эти факторы объединяют недетерминированность действий машиниста, так называемый человеческий фактор. Восприятие процесса копания, фиксация и анализ сопутствующих событий, реакция на возникающие ситуации у разных людей различны. Поэтому даже в одинаковых внешних условиях работы разные машинисты будут оказывать на ход технологического процесса копания различное воздействие. Совокупность этих факторов определяется как квалификация и манера работы машиниста. Этой группой факторов, прежде всего, объясняется тот факт, что управляющее воздействие, прикладываемое к электроприводу каждого механизма экскаватора, может существенным образом отличаться от цикла к циклу, а расчетный цикл экскавации вообще выполняется с очень большими отклонениями. Четвертая группа факторов оказывает на работу экскаватора очень сильное, если не самое сильное, влияние. Косвенным образом это подтверждается тем, что при обследовании технического состояния экскаваторного парка горнодобывающих предприятий Северо-западного региона группой экспертов установлено, что экскаваторы, за которыми закреплена постоянная бригада машинистов, находятся в существенно лучшем техническом состоянии, чем машины, на которых бригада меняется каждую смену.
Перечень случайных факторов, влияющих на работу экскаваторов, можно продолжать, но и перечисленного достаточно, чтобы считать задачу математического моделирования одноковшового экскаватора как электромеханической системы неоднозначной и, следовательно, трудно решаемой. Действительно, одновременный учет всех возможных факторов внешнего воздействия на экскаватор вряд ли возможен. В то же время цели и задачи исследований, проводимых на математической модели, тоже могут существенно различаться.
Поэтому общая модель экскаватора как единой электромеханической системы может быть построена с некоторой степенью приближения к реальному объекту, определяемой совокупностью принятых допущений. В зависимости от цели моделирования в соответствующую часть модели могут вноситься необходимые уточнения, делающие общие результаты моделирования достоверными. При этом общая структура модели не должна претерпевать кардинальных изменений. Уточняющие дополнения должны вноситься в нее путем корректировки или замены отдельных динамических блоков или группы блоков. В таком представлении модель оказывается достаточно универсальной, и позволяет проводить корректный сопоставительный анализ нескольких технических решений по совершенствованию экскаваторного оборудования. Именно такая задача преследовалась при построении математической модели экскаватора как единого электромеханического комплекса в данной работе.
При таком подходе к построению математической модели экскаватора наиболее удобным и эффективным инструментом исследования является система MATLAB, поскольку она позволяет представлять модель в виде отдельных приложений MATLAB. Под приложением MATLAB понимается математическая модель отдельного узла или группы узлов, входящих в состав исследуемого объекта. Это приложение входит в общую модель в виде макроблока, входами которого является совокупность управляющих и возмущающих воздействий для данного элемента общей модели, а выходами - переменные состояния, являющиеся предметом исследования, которые одновременно могут служить входными воздействиями для других макроблоков. Все вычислительные операции, связанные с процессами, протекающими в рассматриваемом узле или группе узлов, осуществляются внутри макроблока.
Таким образом, разработав все необходимые приложения MATLAB, общую модель объекта, в нашем случае - экскаватора, можно сформировать из макроблоков с минимальным использованием элементарных динамических звеньев, или же вообще отказавшись от них. Изменение модели экскаватора при таком представлении сводится к замене одного или нескольких макроблоков другими. Общая же структура математической модели при этом сохраняется. Таким же образом можно осуществлять анализ влияния перечисленных выше случайных факторов на работу экскаватора.
Сопоставление систем управления экскаваторными электроприводами переменного тока
Принципы и алгоритмы управления электроприводами переменного тока широко освещены в литературе [18, 19, 32, 34, 35, 37, 39, 44, 48, 55, 68, 81, 89]. Однако все структуры систем автоматического управления электроприводами строятся по принципу подчиненного регулирования.
Основным принципом управления в частотных электроприводах переменного тока является принцип векторного управления. В мировой практике принцип векторного управления асинхронным электроприводом в полной мере обоснован в [118]. В отечественной научной литературе теоретические основы построения частотных электроприводов с векторным управлением представлены в [34, 35].
Управление переходными процессами в машинах переменного тока основывается на необходимости организовать управление по переменным состояния: по векторам тока статора is и тока ротора ir, а также по потокосцеплениям статора %, ротора f, ипо главному потокосцеплению машины 0=Ьт(і5+іг). Эти переменные состояния взаимосвязаны перекрестными связями.
Основным элементом такой системы управления является преобразователь координат. В литературе он иногда называется векторный преобразователь. При помощи преобразователя координат осуществляется преобразование сигналов, пропорциональных переменным состояния (is, ir, %, %, Р0), из системы координат, жестко связанной со статором или ротором двигателя, во вращающуюся систему координат, жестко связанную с магнитным полем машины. Оси ортогональной системы координат, жестко связанной со статором двигателя, в литературе получили обозначение а-Д а жестко связанной с ротором двигателя - d-q [53, 59, 60, 93, 104]. Преобразование координат заключается в переводе переменных состояния из системы координат а-(3 или d-q в новую вращающуюся систему координат (оси 1-2) в соответствии с выражениями:
Выбор переменных состояния, а, следовательно, системы координат, определяется конкретным типом машины переменного тока и назначением привода. При управлении приводом переменного тока в большинстве случаев целесообразно стабилизировать модуль потокосцепления и управлять моментом, развиваемым двигателем при помощи составляющей вектора тока isi или is2.
При использовании систем координат, связанных с f0 и fs, канал управления модулем потокосцепления при управлении со стороны статора необходимо строить по одноконтурной схеме, а в случае использования системы координат, связанной с % - по двухконтурной схеме подчиненного регулирования. В случае управления со стороны ротора двигателя (машины двойного питания) при использовании системы координат f0 или % управление модулем Ч 0 или % можно осуществлять по одноконтурной схеме, а при использовании системы координат % - по двухконтурной схеме. Канал управления электромагнитным моментом при стабилизации модуля потокосцепления строится одноконтурным, как и канал управления составляющей тока is2.
При использовании любых других систем координат системы управления оказываются либо более сложными, либо не обеспечивающими требуемое качество управления переходными процессами.
В системе, построенной по принципу стабилизации Ч 0, возможно прямое измерение Ч?оа, 0р при помощи измерения индукции в зазоре двигателя в осях (а - Р). Таким образом, были построены первые системы векторного управления. В системах со стабилизацией % или % составляющие га, %р или 5а, %р могут быть получены при помощи вычислителей.
В [34] приведены структурные схемы систем управления электроприводом с асинхронным двигателем в системе координат, жестко связанных с главным потокосцеплением машины, и электроприводом по схеме асинхронно-вентильного каскада с машиной двойного питания в системе координат, вращающейся относительно ротора. Главной особенностью системы управления является полная независимость управляемых переменных / , і2 от напряжения и частоты сети, а также от угловой скорости ротора. Это свойство позволяет рассматривать такую систему как систему управления, обеспечивающую работу электропривода от нестабильной сети.
В [35] приведены алгоритмы управления асинхронным двигателем, структурные схемы систем автоматического управления и характеристики частотно-управляемого электропривода с асинхронным двигателем при управлении по вектору главного потокосцепления, по вектору потокосцепления ротора двигателя и по вектору магнитного потокосцепления статора асинхронного двигателя. Выбор базовой системы координат определяется требованиями к динамическим режимам электропривода, а также возможностями и подходами к формированию сигналов обратных связей.
В последнее время, благодаря высокому быстродействию вычислительных устройств, от систем с прямым измерением индукции в воздушном зазоре двигателя отказались, а перешли к системам с вычислением значений потокос-цеплений по модели двигателя в реальном масштабе времени. В этом случае реализация закона Y const имеет преимущественное значение [37]. В режиме =const развиваемый электромагнитный момент двигателя не имеет максимума и растет неограниченно с ростом абсолютного скольжения Р=со0-сог. Однако, при больших величинах скольжения поддержание неизменным значения % невозможно из-за неизбежного насыщения машины. Как показано в [37], при изменении скольжения в пределах ЗРном увеличение Ч о незначительно и реализация закона Wr = const вполне осуществима. В этом случае отсутствует электромагнитный переходный процесс по потокосцеплению ротора, который вызывает низкочастотные колебания в замкнутом по скорости электроприводе.
Таким образом, для экскаваторного электропривода выбор закона управления с поддержанием T const можно считать наиболее приемлемым, тем более, что он используется в наиболее распространенных системах векторного управления, предложенных фирмой Siemens, и получивших фирменное название «Transvektor».
Анализ силовой элементной базы для построения выпрямителя с активным передним фронтом
Реализация системы управления активным выпрямителем подразумевает использование центрального процессора с высокой производительностью и, возможно, переход к специализированным процессорам с объектно-ориентированной системой команд, адаптированной к решению задач цифрового управления в реальном масштабе времени. Фирмы INTEL, TEXAS, INSRUMENTS, ANALOG DEVICES и ряд других выпустили на рынок новые контроллеры для управления двигателями (Motor Control) на базе процессоров для обработки сигналов - (DSP - микроконтроллеры). Они не только обеспечивают требуемую производительность центрального процессора (более 20 млн. операций в секунду), но и содержат ряд встроенных периферийных устройств, в том числе универсальные генераторы периодических сигналов, обеспечивающие требуемые алгоритмы управления активными выпрямителями.
Система управления и система информации, выполненные на базе микропроцессорных средств управляющей вычислительной техники, должны обеспечивать возможность отображения информации на пульте управления и записывать ее в память управляющего компьютера с указанием последовательности событий.
При использовании в силовой части ПЧ интеллектуальных силовых модулей, объединяющих в одном корпусе силовой элемент, систему управления -драйвер и имеющих полную внутреннюю защиту от: - перегрузки по выпрямленному току; - чрезмерных отрицательных выбросов напряжения; - исчезновения напряжения управления; - статического электричества на всех выводах. Система управления обеспечивает требуемые энергетические характеристики активного выпрямителя. Таким образом, вопрос о построении системы управления как таковой вообще сводится к формированию управляющего воздействия, реализующего тот или иной алгоритм управления активным выпрямителем посредством микроконтроллера.
В результате проведенного сопоставления в качестве силовой элементной базы для дальнейшего исследования принята силовая схема активного выпрямителя, выполненная на силовых ЮВТ-транзисторных модулях.
Для оценки влияния активного выпрямителя на питающую сеть была разработана отдельная математическая модель, реализованная также в программе MATLAB. Использовать эту модель в составе модели экскаватора как единой электромеханической системы признано нецелесообразным из-за очень большого рассогласования во времени между процессами, протекающими в активном выпрямителе и в экскаваторных электроприводах. В то же время в [30] показано, что при таком соотношении времен протекания процессов движения можно разделять без существенной погрешности для общего решения. Помимо чисто исследовательской функции разработанная модель может также найти и практическое применение. Поскольку реализация алгоритмов управления преобразователями с активными выпрямителями достигается за счет программного обеспечения, разработку и отладку этого обеспечения удобнее, целесообразнее а, следовательно, продуктивнее выполнять на математической, а не на физической модели активного выпрямителя. В связи с этим к математической модели активного выпрямителя предъявляются следующие требования: - математическая модель активного выпрямителя должна быть построена с учетом реальных электромагнитных процессов в системах экскаваторных электроприводов; - математическая модель силовой части активного выпрямителя должна воспроизводить релейное или широтно-импульсное управление.
В основу модели положена силовая схема, приведенная на рис.5.2. Трехфазная сеть с фазными ЭДС Еф и фазными индуктивностями Ьф ,считалась симметричной. Силовые IGBT-транзисторные модули, на которых выполнен трехфазный мостовой активный выпрямитель приняты идеальными.
В [44] приведены математическое описание и результаты исследования режимов работы электропривода постоянного и переменного тока с применением активных выпрямителей. Это математическое описание было принято за основу при построении математической модели. Моделирование проведено методом разрывных функций [45]. Получение большого числа состояний модели достигается путем формирования функций Уолша посредством перемножения функций Радемахера, имеющих вид
В данном случае коэффициент заполнения активного выпрямителя на интервале 0 у 1 является величиной переменной. То есть реализуется закон ши-ротно-импульсной модуляции с переменной скважностью в зоне регулирования.
При построении модели системы управления активным выпрямителем был принят следующий принцип формирования переключательной функции каждой фазы. С помощью типовых нелинейных блоков реализовались пилообразные сигналы с частотой сети и с частотой модуляции. Как известно [2], частота модуляции в современных полупроводниковых преобразователях составляет от 0,5 кГц до 16 кГц и, по некоторым оценкам [40], это не предел. При моделировании частота модуляции (несущая частота) была принята/н = 1 кГц. То есть соотношение между частотой сети и несущей частотой равно fH = 20fcemu. Таким образом, для каждой из трех фаз выпрямителя были получены две системы пилообразных сигналов, причем пилообразный сигнал с частотой сети fcemu использовался как управляющий сигнал. Он накладывался на пилообразный сигнал с частотой модуляции/, и, тем самым, обеспечивалась переменная скважность работы в течение каждого полупериода питающего напряжения. Для преобразования пилообразных сигналов в прямоугольные импульсу использовались усилители сигналов с большим коэффициентом усиления и с последующим ограничением сигнала на единичном уровне. Выбор коэффициента усиления определяет, вообще говоря, время включения и время выключения силовых IGBT транзисторных модулей. То есть модель позволяет учесть таким образом собственные физические свойства силовых полупроводниковых приборов. Системы управления для всех трех фаз идентичны. Отличие состоит только в фазовом сдвиге сетевых напряжений. Хотя в программе MATLAB предусмотрены генераторы гармонических сигналов как самостоятельный блок, в модели трехфазная система переменных напряжений сети была реализована с помощью консервативных звеньев с передаточными функциями:
