Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор подъемно-транспортного оборудования (ПТО)
1.1 Классификация ПТО 12
1.2 Типовые крановые механизмы 22
1.3 Системы управления крановыми механизмами 35
1.4 Цель и задачи 56
Глава 2 - Разработка и исследование элементов электропривода (ЭП) переменного тока
2.1 Разработка и исследование задающего генератора. Математическое описание процессов электромеханического преобразования энергии через фазные токи в осях а, Р 57
2.2 Разработка и исследование датчика частоты вращения 85
2.3 Формирование синусоидальных токов электродвигателя в трехфазной системе координат 104
2.4 Выводы по главе 2 113
Глава 3 Разработка и исследование структур регулирования применительно к крановым ЭП
3.1 Обзор структур регулирования ЭП переменного тока 114
3.2 Разработка и исследование структуры регулирования кранового электропривода с датчиком частоты вращения 127
Глава 4 Сравнительный анализ показателей систем кранового ЭП. Практическая реализация
4.1 Сравнение регулировочных и энергетических показателей типовых крановых систем ЭП 165
4.2 Сравнение стоимостных показателей типовых крановых систем ЭП 180
4.3 Практическая реализация 190
4.4 Вывод по главе 4 193
Заключение 194
Список литературы 195
Приложение А 201
Приложение Б 207
Приложение В
- Классификация ПТО
- Разработка и исследование задающего генератора. Математическое описание процессов электромеханического преобразования энергии через фазные токи в осях а, Р
- Обзор структур регулирования ЭП переменного тока
- Сравнение регулировочных и энергетических показателей типовых крановых систем ЭП
Введение к работе
Во всех отраслях народного хозяйства - в промышленности, строительстве, на железнодорожном и водном транспорте и т.д. - широкое применение находят грузоподъемные краны. С их помощью осуществляют перемещение разнообразных грузов в технологической цепи производства или строительства, выполняют ремонтно-монтажные работы с крупногабаритными агрегатами.
В последние годы спрос на подъемно-транспортное оборудование (ПТО) в значительной степени определяется динамикой развития таких отраслей, как машиностроение, черная и цветная металлургия, традиционная и атомная энергетика, топливная промышленность, нефтегазовая отрасль и другие сырьевые отрасли, а также темпами развития портов и перегрузочных терминалов. Перспективы формирования спроса на грузоподъемные краны во многом определяются состоянием и темпами развития этих наиболее динамично развивающихся ведущих отраслей экономики Российской Федерации.
По данным Госкомстата РФ /3/ в нашей стране наблюдается позитивная тенденция ускорения промышленного подъема. Объем ВВП России за прошедший 2006г., по предварительной оценке составил в текущих ценах 26621,30 млрд. рублей. Темп роста его реального объема относительно 2005г. составил 106,70%. При этом положительная динамика наблюдается в основных отраслях-потребителях грузоподъемного оборудования. Так индекс промышленного производства в 2006г. увеличился по отношению к 2003 г. более чем на треть
Практически все заводы отрасли вынуждены были остановить серийные производства и перейти к производству ПТО исключительно на заказ. Ограниченный платежеспособный спрос на фоне незадействованных производственных мощностей привел к жесткой конкуренции и демпингу. В поисках экономической стабильности производства предприятия пошли по пути существенного расширения ассортимента выпускаемой продукции. Уход от узкой специализации, поиски снижения себестоимости за счет более дешевого сырья и комплектующих, морально и технологически устаревшие проекты крановой техники - все это не могло не сказаться на качестве производимого кранового оборудования.
В настоящее время в Российской Федерации эксплуатируется около 130 тыс. общепромышленных мостовых и специальных мостовых кранов, около 3 тыс. портальных кранов 151. Однако в связи с тем, что темпы обновления подъемно-транспортного оборудования в последние годы находились на крайне низком уровне, значительная часть парка грузоподъемных кранов выработала свой ресурс и требует замены, капитального ремонта или модернизации. В среднем, нормативный срок службы общепромышленного мостового крана составляет 30 лет. По различным экспертным оценкам, в настоящее время за пределами нормативного срока службы эксплуатируется около 40-60% мостовых кранов, около 80% металлургических кранов и более 90% портальных кранов.
Структура распределения парка общепромышленных мостовых кранов по отраслям промышленности представлена на рисунке 4 /4/.
Крупнейшим сегментом рынка ПТО являются портальные и другие портовые грузоподъемные краны. Объем данного сегмента в денежном эквиваленте составляет более 50 миллионов долларов (26%) и имеет реальные перспективы к дальнейшему росту. Резкое сокращение поступлений новых кранов за последние 10 лет привело к тому, что порты оказались в очень сложном положении. Износ парка портальных кранов достиг критических значений. Средства на приобретение новых кранов сильно ограничены. Увеличиваются расходы на ремонт и техническое обслуживание устаревших типов машин. Нормативный ресурс парка кранов, установленных в крупных морских и речных портах РФ, составляет около 25 лет, в общем уже отработан. Их дальнейшая эксплуатация будет осуществляться уже в условиях сверхнормативного ресурса. Как уже упоминалось выше, более 90% портального кранового оборудования требует замены и модернизации. Если говорить только о морских портах России, что требует объемов инвестиций 2-3 млрд. долларов. Отложенный спрос в данном сегменте очень велик, и по данным опросов экспертов, будет постепенно реализовываться в ближайшие 5-7 лет.
Важнейшим сегментом рынка ПТО являются мостовые специальные и тяжелые краны (от 50 до более 500 тонн). В этом же сегменте рассматриваются специальные металлургические краны для черной и цветной металлургии, а также краны машинных залов электростанций, специальные краны для атомных электростанций и ряд других тяжелых специальных кранов. Емкость данного сектора рынка, включая сегмент портальных кранов, составляет около 100 миллионов долларов. При этом сегмент портальных грузоподъемных кранов остается самым большим, почти 50%.
Краны для металлургии составляют 32% от общего объема всех тяжелых и специальных кранов. В настоящее время это наиболее динамично развивающийся сегмент рынка, поскольку сегодня практически все крупнейшие металлургические компании активно инвестируют в развитие собственной производственной базы. Объем рынка тяжелых и специальных кранов для традиционной энергетики составляет 5%. В основном это грейферные перегружатели для тепловых электростанций и краны машинных залов. Около 4% составляет доля кранового оборудования для атомной энергетики. В настоящее время наблюдается некоторое оживление спроса в этом секторе рынка. Его емкость колеблется в пределах 3-8 миллионов долларов. Основу данного сегмента рынка составляют специальные перегрузочные машины для обогащенного и отработанного топлива, полярные краны реакторных залов, краны эстакад и специальные краны для захоронения радиоактивных отходов. В ближайшие годы в России планируется реконструкция старых, ввод новых блоков (приблизительно блок в год) АЭС. Это энергетические блоки Ростовской АЭС (2007г.) и Балаковкой АЭС (2009г.). Планируется строительство ряда хранилищ ядерных отходов и расширение мощностей по их переработке (Ленинградская, Курская, Смоленская АЭС). Структура рынка тяжелых и специальных кранов (вместе с сектором портальных кранов) представлена на рисунке 5 /4/.
В настоящее время на территории России работают более 20 заводов, производящих грузоподъемные краны широкого спектра типов и грузоподъемностей. В сегменте тяжелых и специальных кранов наиболее развитой специализированной производственной базой и инженерно-конструкторскими кадрами обладают такие предприятия как: АО «СИБТЯЖМАШ», г. Красноярск; «ОМЗ-КРАН», г. Москва, группа предприятий «Урал кран».
АО «Сибтяжмаш» является одним из ведущих предприятий отрасли тяжелого машиностроения Красноярского края. Предприятие специализируется на выпуске мостовых электрических кранов грузоподъемностью до 1200 тонн всех групп режимов, пролетов и назначений для предприятий черной и цветной металлургии, машиностроения, топливно-энергетического комплекса, в том числе для тепловых и атомных электростанций; перегружателей угольных и рудных складов. Разрабатываются штыревые и анодные краны-манипуляторы, полярные краны для атомных станций нового поколения 161.
ООО «ОМЗ-КРАН» позиционируется в сегменте тяжелых, средних и специальных кранов. Основную часть ПТО производится на Уральском заводе тяжелого машиностроения (ОАО «Уралмашзавод», г. Екатеринбург). Уралмашзавод имеет многолетний опыт производства ПТО для различных отраслей промышленности: энергетики, атомной промышленности, нефтегазового комплекса, горной промышленности, морского и речного транспорта, машиностроения и т.д. Предприятием предлагаются следующие типы ПТО 111:
- различные типы металлургических и мостовых электрических кранов грузоподъемностью до 500т;
- портальные краны грузоподъемностью до 80т;
- козловые краны грузоподъемностью до 400т;
- краны консольно-поворотные грузоподъемностью до 500т;
- краны-штабелеры грузоподъемностью до Ют.
В настоящее время ООО «ОМЗ-КРАН» реализует крупные проекты изготовления полярного крана и кранов эстокад для АЭС «Куданкулам» (Индия), мульдозавалочных кранов для «Ашинского металлургического комбината», многопролетных кранов для РСК МИГ, мостовых кранов для ГЭС «Се Сан 3» (Вьетнам), металлургических кранов для «Магнитогорского металлургического комбината» и АО «Северсталь».
Группа предприятий «Уралкран» предлагает следующие типы ПТО /8/:
- башенные краны КБ-408.21, КБ-578, КБ-403Б, КБ-403Б.4;
- мостовые краны общего назначения грузоподъемностью до 50т.
Производством башенных кранов, крана-погрузчика занимается
Нязепетровский краностроительный завод. Краны мостовые и козловые, грузозахватывающие механизмы выпускает Сухоложский крановый завод. Производимая продукция широко применяется в строительной, металлургической, лесоперерабатывающей отрасли промышленности.
Хорошо известна на российском рынке и продукция производителей ПТО из Украины, которые имеют давние тесные связи с предприятиями РФ и являются крупнейшими экспортерами кранового оборудования в Россию. Среди них такие заводы, как ЗАО «Новокраматорский завод тяжелого машиностроения», ЗАО «Запорожский завод тяжелого краностроения», ООО «Харьковский завод подъемно-транспортного оборудования», ОАО «Азовмаш» и ряд других производителей.
ЗАО «Новокраматорский завод тяжелого машиностроения» (НКМЗ) является одним из крупнейших в Украине и известным в мире изготовителем уникального высокопроизводительного прокатного, металлургического, кузнечно-прессового, гидротехнического, горнорудного, подъёмно-транспортного и специализированного оборудования.
НКМЗ предлагает следующие типы ПТО /9/:
- мостовые электрические краны грузоподъемностью до 630т для работы на постоянном и переменном токе шириной пролета до 40м;
- краны козловые электрические общего назначения грузоподъемностью до 150 т, монтажные - до 600т, для обслуживания плотин ГЭС - до 630т.
ЗАО «Запорожский завод тяжелого краностроения» отличает широкая номенклатура ПТО для энергетики, металлургии, портовых и железнодорожных терминалов.
Предприятие предлагает следующие типы ПТО /10/:
- различные типы козловых кранов грузоподъемностью до 100т, краны для гидросооружений -до 1000т; - краны полукозловые грузоподъемностью до 35т;
- краны мостовые однобалочные грузоподъемностью до 125т, двухбалочные - до 160т.
ООО «Харьковский завод подъемно-транспортного оборудования» (000 «ХЗ ПТО») имеет 75-летний опыт конструирования и изготовления ПТО. Предприятие предлагает следующие типы ПТО /11/:
- краны мостовые двухбалочные общего и специального назначения грузоподъемностью до 250т, однобалочные - до Ют;
- краны козловые грузоподъемностью до 16т;
- краны консольные грузоподъемностью до 8т;
- тали электрические грузоподъемностью до 20т.
Освоен выпуск пратцен-кранов, клещевых и разливочных кранов грузоподъемностью до 140т.
ОАО «Азовмаш» специализируется на разработке и производстве мощного ПТО для судостроения, энергетики, строительства, железнодорожного транспорта, морских и речных портов, металлургии.
Предприятие предлагает следующие типы ПТО /12/:
- монтажные козловые краны грузоподъемностью 480т с пролетом 115м и высотой подъема 68м;
- краны грузоподъемностью 630/50т с пролетом 25м и высотой подъема 30м;
- полупортальные машины грузоподъемностью до 250т;
- краны грузоподъемностью 500т для обслуживания гидроэлектростанций.
В сегменте кранов мостового и козлового типов средней грузоподъемности в РФ есть несколько специализированных предприятий. Среди них такие хорошо известные заводы, как АО «Балткран» г. Калининград; АО «Бурея-кран», Амурская область; ОАО «КРАН-УМЗ», Тульская область, г. Узловая; ОАО «Ленинградский крановый завод», г. Санкт-Петербург; ОАО «149 Механический завод», г. Москва; ОАО «55 Металлообрабатывающий завод», г. Санкт-Петербург; АПП «Бываловский машиностроительный завод», г. Вологда; ООО ПП «Кампромтехника», г. Набережные Челны и ряд других производителей. ОАО «Балткран» позиционирует себя производителем следующих типов ПТО/13/:
- контейнерные краны для обслуживания 20-, 30-, 40- и 45-футовых контейнеров;
- козловых кранов стандартного исполнения грузоподъемностью до 60т и нестандартного - до 200т;
- портальные краны грузоподъемностью до 50т;
- мостовые краны грузоподъемностью до 320т.
Специализацией Бурейского кранового завода является производство кранов мостовых электрических грузоподъемностью до 32т и козловых до 25т.
ОАО «КРАН-УМЗ» специализируется на производстве мостовых и козловых электрических кранов.
Предприятие предлагает следующие типы ПТО /14/:
- краны мостовые электрические общего назначения грузоподъемностью до 50т, специальные - до 32т; ОАО «Ленинградский крановый завод» производит следующие типы ПТО /15/:
- краны мостовые электрические двухбалочные опорные и грейферные грузоподъемностью до 50т;
краны мостовые однобалочные подвесные и опорные грузоподъемностью до Ют.
- краны козловые электрические грузоподъемностью до 32т.
ОАО «55 Металлообрабатывающий завод» на протяжении длительного времени специализировался на производстве ПТО для Министерства обороны. В настоящее время предприятие производит мостовые краны грузоподъемностью до 20т, грузовые тележки - до 50т и т. д. /16/.
ОАО «149 Механический завод» предлагает следующие типы ПТО /17/:
- краны мостовые подвесные и опорные грузоподъемностью до 16т;
- краны козловые грузоподъемностью до 20т.
АЛЛ «Бываловский машиностроительный завод» осуществляет производство ПТО для металлургии и металлоторговли, машиностроения, лесопромышленного и нефтехимического комплексов, складского хозяйства и т.д. козловых кранов грузоподъемностью до 36т, высотой подъема до 14м и пролетом 36м/18/.
ООО ПП «Кампромтехника» изготавливает и реализует следующие типы ПТО/19/:
- краны мостовые подвесные и опорные грузоподъемностью до Ют;
- краны козловые грузоподъемностью до Ют.
По краностроению существуют следующие головные предприятия /20/
ВНИИПТмаш - краны мостового и кабельного типа, портальные, консольные, железнодорожные, электротали;
ВНИИстройдормаш - краны стреловые самоходные, краны манипуляторы;
СКТБ башенного краностроения - краны башенные, краны лесопогрузчики, переставные и мачтовые краны, стреловые на рельсовому ходу;
ВКТИмонтажстроймеханизация - краны специальные монтажные.
На основании проведенного обзора тенденций кранового рынка РФ можно сделать вывод, что на сегодняшний день сложились предпосылки для роста производства грузоподъемных кранов и модернизации имеющихся. В сложившейся ситуации являются актуальными работы по увеличению надежности и энергетических показателей кранов с целью формирования наиболее конкурентоспособного предложения. Возрождение промышленности требует кранов с новыми техническими возможностями, в том числе с более жесткими требованиями к скорости посадки груза, плавности движения и диапазону регулирования. Например, погрузка на морские суда, погрузка тонкой электроники, подъем и опускание замедлителей в реакторах атомной промышленности. В тоже время особое внимание уделяется энергетическим характеристикам и рациональному выбору электрооборудования крана.
Классификация ПТО
Подъемный кран представляет собой грузоподъемную машину, которая работает с повторяющимися циклами и предназначена для подъема и перемещения на небольшие расстояния грузов, удерживаемых грузозахватывающими органами. Грузоподъемные машины с электрическими приводами имеют чрезвычайно широкий диапазон использования, что характеризуется интервалом мощностей приводов от сотен ватт до 1000 кВт. В перспективе мощности крановых механизмов могут дойти до 1500 -2500 кВт.
По назначению разнообразные грузоподъемные машины можно объединить в три группы/21/. - универсальные грузоподъемные машины - краны, лебедки, тали, служащие для подъема и перемещения различных грузов при помощи крюкового подвеса на грузовом тросе; грузоподъемные машины для выполнения определенных технологических операций в промышленности, на транспорте и в строительстве; - краны для выполнения строительных, монтажных и ремонтных работ, связанных с перемещением промышленного оборудования. В свою очередь, по условиям работы грузоподъемные машины могут быть условно разделены на следующие группы: машины универсального назначения, используемые для работы в помещениях при повторно-кратковременном режиме и средней продолжительности работы до 16ч. в сутки; - машины универсального назначения, используемые для работы в помещениях при повторно-кратковременном режиме и средней продолжительности работы от 8ч. до 24ч. в сутки; - машины для выполнения определенных технологических операций, используемые как в помещениях, так и на открытом воздухе при повторно кратковременном режиме и продолжительностью работы до 24ч. в сутки; - машины для выполнения разовых и эпизодических грузоподъемных операций, используемые в кратковременных и повторно-кратковременных режимах с общим годовым числом часов работы не более 500. Краны, в зависимости от состава содержащихся в них механизмов, делятся на 2 категории /22/: мостового и стрелового типов. В кранах мостового типа перемещения в горизонтальной плоскости производится с помощью механизма передвижения, а в кранах стрелового типа, с помощью механизма поворота и изменения вылета.
По конструкции краны мостового типа подразделяются на следующие виды /20/: - кран мостовой, опирающийся непосредственно на крановый путь; - кран козловой, опирающийся на крановый путь при помощи двух опорных стоек; - кран полукозловой, у которого несущие элементы конструкции опираются на крановый путь с одной стороны непосредственно, а с другой - при помощи опорной стойки; - кран перегружатель причальный, имеющий одну или несколько консолей и опирающийся на крановый путь при помощи портала. Наиболее распространенным из кранов мостового типа является мостовой кран общего назначения. В свою очередь среди них выделяют однобалочные и двухбалочные. Особенностью данного типа мостовых кранов является то, что балки образуют мостовую конструкцию, по которой передвигается тележка с механизмом подъема груза. Применение различных грузозахватывающих устройств расширяет номенклатуру мостовых кранов.
К кранам стрелового типа относятся следующие виды грузоподъемных кранов /20/: - кран портальный - передвижной поворотный кран, расположенный на портале; - кран полупортальный - передвижной поворотный кран, расположенный на полупортале; - кран стреловой - поворотный кран, у которого стрела или башенно-стреловое оборудование закреплены на поворотной платформе, размещенной непосредственно на ходовой части; - кран башенный - кран поворотный со стрелой, закрепленной в верхней части вертикально расположенной башни; - кран железнодорожный - кран, смонтированный на платформе, передвигающейся по железнодорожному пути; - кран плавучий - кран на самоходном или несамоходном понтоне, предназначенном для его установки и передвижения; - кран стреловой судовой - кран поворотный, установленный на борту судна и предназначенный для его загрузки и разгрузки; - кран мачтовый - кран поворотный со стрелой, закрепленной шарнирно на мачте, имеющей нижнюю и верхнюю опору; - кран консольный - кран стрелового типа, грузозахватывающий орган которого подвешен к жестко закрепленной консоли или к тележке, перемещающейся по консоли.
Строительные башенные краны (см. рисунок 1.3) содержат в верхней части башни стрелу. Поворот стрелы относительно оси вращения обеспечивается с помощью опорно-поворотного устройства, которое может располагаться как в верхней, так и в нижней части башни. Изменение вылета стрелы в кранах стрелового типа осуществляется либо с помощью тележки, перемещающейся по горизонтальному или наклонному поясу фермы стрелы крана, либо качанием стрелы в вертикальной плоскости. Во втором случае обеспечивается перемещение центра масс стрелы в вертикальной плоскости, что незначительно отличается от механизма подъема. Передвижение крана по рельсовым путям производится с помощью механизма передвижения (ходовых тележек).
Разработка и исследование задающего генератора. Математическое описание процессов электромеханического преобразования энергии через фазные токи в осях а, Р
Перейдем к задаче исследования принципов управления и разработки цифровой системы управления электропривода переменного тока (задающего генератора), а также к определению ее области применения. В системах управления на переменном токе, в отличие от систем на постоянном токе, необходимо сформировать синусоидальные задания.
Задающий генератор - это устройство, которое связывает системы управления (СУ), которые традиционно выполняются на постоянном токе с системой регулируемых по амплитуде, частоте и фазе вращающихся векторов (ЭДС, токов, потоков). В научной школе академика Ключева В.И., к которой принадлежит и наша научная группа, под названием ЗГ подразумевается вся СУ, содержащая и регуляторы.
В работах Баранова Ю.М. /35/ формирование синусоидальных заданий осуществляется с помощью специального аналогового задающего генератора. В результате по заданным амплитудам и осям формируются синусоидальные сигналы заданий на активный ток и ток намагничивания, которые, складываясь, образуют необходимую зависимость для полного статорного тока двигателя. Также с помощью задающего генератора упростился процесс компенсации противо-ЭДС. Амплитуду вектора компенсации было предложено изменять прямо пропорционально скорости двигателя, а фаза этого сигнала должна совпадать с фазой активной составляющей тока.
По принципам разработанного аналогового задающего генератора позднее Добрословым В. Г. под руководством Ключева В. И. было разработано цифро-аналоговое устройство. В состав данного устройства входит преобразователь, который по аналоговому заданию на частоту формирует последовательность импульсов с частотой, пропорциональной заданию. С помощью двоичных счетчиков формируется линейная зависимость цифрового кода. Для получения цифровой синусоиды применяется постоянное запоминающее устройство ПЗУ, в котором предварительно записана синусоидальная зависимость. Для преобразования задающих амплитуду сигналов в синусоидальные применяются перемножители на основе резистивных цифро-аналоговых преобразователей ЦАП.
Входными сигналами Uja и Uip являются выходы регуляторов токов, на которых сравниваются синусоидальные задания на вектор тока статора электродвигателя в ортогональных осях а и (3 и сигналы обратных связей по току.
Основные положения формирования синусоидальных заданий в ортогональных осях а и J3 применительно к частотно - токовой системе регулирования координат рассмотрены в работах Микитченко А.Я. и Грекова Э.Л. /37,38/.
Несмотря на высокие требования, которые призвана обеспечивать и обеспечивает цифровая система, потребовалось сознательно идти на ухудшение, преобразуя сигналы между элементами структуры в аналоговый вид. Возможно, со временем этот прием будет отвергнут, но в настоящий момент это необходимо с исследовательской точки зрения и для персонала предприятия при наладке. Для этого в ЗГ используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), которые вносят определенные погрешности.
На основании изложенных функциональных схем была разработана плата задающего генератора /39/, структурная схема которой представлена на рисунке 2.5. Блок ввода аналоговых сигналов предназначен для коммутации одного из входов на блок согласования, а также для масштабирования входных сигналов.
Блок согласования служит для преобразования уровня входных сигналов -10В ..+10В в уровень преобразуемого сигнала 0..+5В для АЦП микроконтроллера. Обработку принятой информации в соответствии с рассмотренными алгоритмами осуществляет микроконтроллер. Для преобразования цифровых сигналов с выхода микропроцессора в аналоговые используется ЦАП. Блок вывода аналоговых сигналов предназначен для развязки внешних и внутренних цепей и управления уровнем сигналов.
Таким образом, для получения ед. синусоиды и косинусоиды в цифровом виде необходимо иметь только таблицу синусоиды, построенную по выражению 2.6.
Поступая с блока ввода аналоговых сигналов, сигнал задания на частоту обрабатывается микроконтроллером. В зависимости от амплитуды сигнала выставляется соответствующий ему цифровой код. Однако точность выставления цифрового кода исходному сигналу зависит от разрядности АЦП.
В системе частотно-токового регулирования в структуре управления (см. рисунок 3.15) имеется канал скольжения Аю, величина которого зависит от параметров электродвигателя (в частности от sH). Поэтому, на область применения ЗГ с данным микроконтроллером влияет и мощность питаемого электродвигателя. В связи с уменьшением s„ увеличивается и доля ошибки в задаваемом сигнале AGO по каналу скольжения при частотно-токовой структуре регулирования. Для серии крановых АД AMTK-F зависимость доли ошибки относительно sH от мощности электродвигателя при различных вариантах применения ЗГ на основе микроконтроллера PIC18FXX2 представлена на рисунке 2.18. По характеристике 1 видно, что ошибка при двухзонном частотном регулировании от 0 до 70 Гц не превысит 5% s„ при мощностях не выше 30 кВт, а при однозонном частотном регулировании от 0 до 50 Гц при мощностях не выше 100 кВт (характеристика 2). Для серии 4А основного исполнения диапазон мощностей, при котором ошибка не превысит 5%, незначительно выше.
Обзор структур регулирования ЭП переменного тока
Асинхронный ЭП с регулированием напряжения на статоре в своей основе содержит тиристорный регулятор напряжения ТРИ (см. пункт 1.3).
Разомкнутая структура управления такого регулирования имеет малый диапазон устойчивых режимов работы двигателя.
Расширению диапазона регулирования при данном типе регулирования способствует введение различных обратных связей: по скорости, напряжению и току статора.
Поскольку уменьшение скорости асинхронного двигателя связано с уменьшением напряжения на обмотках его статора, а допускаемый по условиям нагрева двигателя момент Мдоп при этом уменьшается в обратно пропорциональном зависимости от скольжения, то область применения замкнутых систем рассмотренного типа регулирования ограничена механизмами, у которых момент нагрузки при снижении скорости уменьшается. Например, механизм с вентиляторной нагрузкой. Применение ТРН в крановых ЭП рассмотрено в пункте 1.3.
Асинхронный ЭП со скалярным управлением базируется на изменении частоты и текущих значений модулей переменных АД. При этом выделяется частотное и частотно-токовое управление. При частотном управлении обеспечивается совместное регулирование частоты и напряжения, а при частотно-токовом - частоты и тока статорной обмотки.
При использовании ОС по ЭДС статора двигателя сравнительно просто реализуется системы, в которых может быть обеспечена стабильность потока двигателя при регулировании скорости.
При питании от источника тока вследствие размагничивающего действия тока ротора магнитный поток АД заметно изменяется при изменении абсолютного скольжения. Поэтому для его стабилизации в канал задания тока вводится функциональный преобразователь ФП, определяющий задание тока статора \\ в функции абсолютного скольжения sa.
Стабилизация скорости АД обеспечивается за счет регулятора скорости PC. Особенность в том, что частота f автоматически формируется из текущего значения скорости со и значения скольжения Асо (см. рисунок 3.8).
Частотно-токовое регулирование наделяет ЭП качественными регулировочными характеристиками, обеспечивает ограничение момента на заданном уровне, независимо от скорости двигателя. При этом для обеспечения высокого диапазона регулирования частоты необходим контур скорости, а, следовательно, и датчик частоты вращения.
Векторное управление частотно регулируемого ЭП связано как с изменением частоты и текущих значений переменных АД, так и со взаимной ориентацией их векторов в полярной или декартовой системе координат. За счет регулирования структурных значений переменных и углов между их векторами обеспечивается полное управление АД как в статике, так и в динамике, что дает заметное улучшение качества переходных процессов по сравнению со скалярным управлением.
При векторном управлении АД может питаться как от источника напряжения, так и от источника тока. Вариант частотно-токового векторного управления является наиболее распространенным, так как при регулировании тока независимо от частоты питания АД обеспечивается регулирование и его момента. При этом напряжение на обмотках статора АД устанавливаются автоматически в зависимости от его режима работы.
Впервые СУ с прямой ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД была предложена фирмой Siemens (система Transvektor). Функциональная схема подобной структуры представлена на рисунке 3.12.
Особенностью СУ с опорным вектором Ч м является возможность его прямого измерения с помощью датчиков, установленных в воздушном зазоре АД. Подобные системы имеют высокие показатели качества управления.
Однако установка датчиков магнитного потока в воздушном зазоре АД в системах прямого управления векторами его потокосцеплений требует дополнительных изменений в конструктивных решениях серийно выпускаемых АД и сопровождается снижением надежности ЭП и ремонтопригодности. Поэтому часто системы управления реализуются на основе микропроцессорной техники и в данных системах информацию о векторах потокосцеплений электрической машины получают косвенным путем на основе ее математической моделей, так называемых наблюдателей /80/.
При этом существует схемы с косвенным определением векторов потокосцеплений как с реальным датчиком частоты вращения, так и с косвенным (по модели) определением реальной скорости двигателя. Системы управления с реальным датчиком частоты вращения имеют более высокие показатели качества управления, однако для реализации необходима точная и надежная установка на валу АД тахогенератора. Поэтому привлекательна возможность избежать применения датчика частоты вращения. Системы управления без датчика скорости называются «бездатчиковыми». Функциональная схема бездатчиковой системы векторного управления с ориентацией по вектору потокосцепления ротора имеет следующий вид /83/.
Качество регулируемой скорости в подобных системах зависят от степени соответствия математической модели (наблюдателя) и установленных в ней параметров реальной электрической машины. С учетом неустойчивости параметров АД и сложной их взаимосвязи по своим статическим и динамическим показателям данные системы уступают системам с прямым векторным управлением. Следует также отметить, что в системах с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора для математической модели необходима информация о статическом моменте Мс, а получение этой информации требует наличия датчика статического момента на валу АД, что усложняет структуру регулирования. Отсутствие сигнала Мс приводит к еще большему отличию математической модели от реальной электрической машины, в следствие чего снижается перегрузочная возможность привода в целом.
Сравнение регулировочных и энергетических показателей типовых крановых систем ЭП
Система ТП-Д обладает хорошими регулировочными показателями. Аналогично системе Г-Д (ТП заменяет одновременно гонный двигатель и генератор постоянного тока) позволяет плавно и в широком диапазоне регулировать скорость электродвигателя без тахометрического контроля. Однако без многоступенчатого ФКУ данная система имеет низкие энергетические показатели на уровне РКСУ. Поэтому без компенсации реактивной мощности систему ТП-Д применять категорически не следует, но при этом наличие ФКУ значительно увеличивает стоимость НКУК, делая данную систему самой дорогой из рассматриваемых, но и с самым высоким суммарным коэффициентом энергетической эффективности. Следует отметить также, что используемый двигатель постоянного тока проигрывает АД по стоимостным и надежностным показателям из-за наличия коллекторного узла. Для реального диапазона регулирования 20:1 у ТП-Д без ФКУ коэффициент к% 0,037, а с ФКУ к 0,4. Оценочная стоимость ТП-Д с ФКУ составляет 1,88 по отношению к стоимости НУВ - АИН(ШИМ)-АД, принятой за эталон.
Система НПЧ-АД обладает повышенными регулировочными показателями, по сравнению с предыдущими системами. Кроме этого в отличие от ТП-Д здесь используется более надежный и дешевый АД. Без многоступенчатого ФКУ данная система имеет низкие энергетические показатели, как и ТП-Д. Поэтому НПЧ-АД без ФКУ применять категорически не следует. В районе номинальных частот вращения заметно снижение суммарного коэффициента энергетической эффективности, это связано с уменьшением коэффициента искажения тока двигателя. При наличии многоступенчатого ФКУ энергетические показатели значительно увеличиваются. Но при этом соответственно увеличивается и стоимость НКУК в целом. Например, НКУК на основе НПЧ с 2х фазным АД обладает наименьшей стоимостью из всех рассмотренных, но при использовании ФКУ стоимость заметно повышается. НПЧ с Зх фазным АД дороже и габаритнее, но при этом можно использовать распространенные серии АД. Для НПЧ с 2х фазным АД необходима специальная двухфазная машина. В настоящий момент такие машины крановых серий не выпускаются. Хотя разработана и использовалась ранее серия АДЧ для работы в составе частотно-регулируемых приводов ЭТА01 (г. Чебоксары). Поэтому в принципе имеется возможность возобновления их производства. Следует отметить, что для данной системы с целью обеспечения высокого диапазона регулирования необходим контроль за частотой вращения вала электродвигателя, т.е. тахогенератор. Установка последнего затруднена из-за стесненных условий кранового оборудования. Для реального диапазона регулирования 50:1 у НПЧ-АД без ФКУ коэффициент к2 0,013, а с ФКУ кг 0,19.
Оценочная стоимость НПЧ-Зх фазный АД с ФКУ составляет 1,6 по отношению к стоимости НУВ - АИН(ШИМ)-АД, а для НПЧ-2х фазный АД с ФКУ оценочная стоимость составляет 1,38
Системы с АИН имеют максимальные регулировочные показатели среди всех рассмотренных. В них, как и в НПЧ, используется надежный и дешевый АД. По энергетическим показателям среди систем данного типа лидерство занимает система AFE - АИН(ШИМ) - АД. Однако она же имеет и максимальную стоимость (на уровне систем Г-Д и НПЧ-АД с ФКУ).
Минимальную стоимость среди систем с АИН и вообще среди всех рассмотренных имеют системы НУВ-АИН(ШИМ)-АД и разработанная Р-АИН(Р)-АД. Однако неуправляемый выпрямитель не может обеспечить рекуперацию энергии в сеть, что в условиях резкопеременной нагрузки, характерной для крана, приведет к потерям энергии, потому что, как и в РКСУ, в этой системе необходим слив энергии в резистор. В разработанной Р-АИН(Р)-АД осуществляется обмен энергией с сетью, следовательно данная система более выгодна по сравнению с НУВ-АИН(ШИМ)-АД Исключением являются автономные краны, в которых нет опоры на сеть и, следовательно, отсутствует возможность рекуперации. Для таких случаев рекомендуется применять систему НУВ-АИН(ШИМ)-АД. В системе Р-АИН(ШИМ)-АД также имеется рекуператор, но она немного дороже, чем Р-АИН(Р)-АД. Кроме того, как видно из рисунков 6 и 7, форма токов электродвигателя в системе Р-АИН(ШИМ)-АД в зоне низких частот проигрывает разработанной системе из-за используемого в ней программного формирования тока электродвигателя, а не релейного с обратной связью по току. Как и для всех систем переменного тока, недостатком систем с АИН является необходимость установки тахогенератора для обеспечения высокого диапазона регулирования. Кроме того, в этих системах из-за повышенной частоты коммутации необходимо использовать специальные электродвигатели с повышенным качеством изоляции и специальным подшипниковым узлом /107/.
Для реального диапазона регулирования 100:1 у систем НУВ -АИН(ШИМ)-АД, Р-АИН(ШИМ)-АД, Р-АИН(Р)-АД коэффициент KZ 0,08, а у системы AFE-АИН(ШИМ)-АД KZ 0,094.
Оценочные стоимости систем НУВ - АИН(ШИМ)-АД и , Р-АИН(Р)-АД практически совпадают, а оценочная стоимость системы AFE - АИН(ШИМ) - АД составляет 1,57 по отношению к стоимости НУВ - АИН(ШИМ)-АД.
По материалам диссертации в ОАО «Рудоавтоматика» разработан комплект документации и изготовлены опытные образцы задающего генератора для формирования в системах управления электроприводов синусоидальных заданий на токи фаз электродвигателя. Структурная схема разработки представлена на рисунке 2.5. В ней используется: микроконтроллер PIC18F452 с параметрами, представленными в таблице 2.1; 8-ми канальный 8-ми битовый цифро-аналоговый преобразователь - AD8842; блоки ввода/вывода реализованы с помощью операционных усилителей TL084. Диапазон задаваемых частот выходного сигнала составляет ±70Гц. Внешний вид разработанного задающего генератора представлен на рисунке 4.15.
