Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ перспективных систем. Задачи работы 19
1.1 Требования к электроприводам основных механизмов экскаваторов..19
1.2 Существующие разработки на базе транзисторных преобразователей, удовлетворяющие требованиям к электроприводу экскаваторов 31
1.3 Анализ существующих и перспективных систем электроприводов экскаваторов по энергетическим и стоимостным показателям 41
1.4 Напряжения и токи в нагрузке, обеспечиваемые преобразователями частоты 62
1.5 Задачи работы 64
2. Разработка транзисторного преобразователя 66
2.1 Способ релейного формирования тока нагрузки 66
2.2 Построение преобразователя с релейным формированием тока нагрузки 68
2.3 Сравнение работы рассматриваемых схем преобразователей 81
2.4 Выводы по главе 86
3. Выбор силовых транзисторов и конденсаторов 87
3.1 Общие положения 87
3.2 Допущения, принятые при математическом описании 88
3.3 Определение требований к системе управления 90
3.4 Построение математической модели 97
3.5 Исследование работы возбудителя в электроприводе по системе транзисторный возбудитель-генератор-двигатель 111
3.6 Исследование работы преобразователя в электроприводе по системе транзисторный преобразователь- двигатель постоянного тока 118
3.7 Выводы по главе 125
4. Повышение надежности электропривода с транзисторным преобразователем и релейным формированием тока нагрузки 127
4.1 Защиты и блокировки в преобразователе с релейным формированием тока нагрузки 127
4.2 Разработка моноблока преобразователя с релейным формированием тока нагрузки 130
4.3 Конструктивные особенности построения моноблока 135
4.4 Построение электропривода с моноблочным транзисторным преобразователем с релейным формированием тока нагрузки 142
4.5 Выводы по главе 147
5. Повышение быстродействия и улучшение энергетических характеристик электроприводов экскаваторов на базе транзисторных преобразователей 148
5.1 Общие сведения 148
5.2 Динамические показатели электроприводов 152
5.3 Энергетические показатели электроприводов 172
5.4 Исследование возможности применения транзиторного преобразователя в электроприводах переменного тока 177
5.5 Выводы по главе 179
Заключение 181
Список использованных источников 183
- Существующие разработки на базе транзисторных преобразователей, удовлетворяющие требованиям к электроприводу экскаваторов
- Определение требований к системе управления
- Разработка моноблока преобразователя с релейным формированием тока нагрузки
- Динамические показатели электроприводов
Введение к работе
Технологический процесс добычи полезных ископаемых состоит из следующих операций. Сначала бурятся взрывные скважины, и горные породы разрушаются при помощи взрывов. Далее разрушенная горная порода грузится при помощи экскаваторов в транспортные средства. Затем порода транспортируется на горно-обогатительную фабрику.
Для погрузки породы используются экскаваторы различного вида в зависимости от прочности и удельного веса породы. Для погрузки взорванных скальных пород используют карьерные одноковшовые экскаваторы. Они имеют укороченную стрелу и лопату повышенной прочности. Для вскрышных работ используют экскаваторы-драглайны. Они, наоборот, имеют удлиненную стрелу. Ковш у них подвешен на тросах.
На горно-обогатительных комбинатах (ГОКах) наиболее массовыми машинами являются карьерные одноковшовые экскаваторы ЭКГ-8 и ЭКГ-10 и экскаваторы драглайны ЭШ-6/45 и ЭШ-10/70.
К электроприводам основных механизмов одноковшовых экскаваторов с прямой лопатой относят привода подъема, напора, поворота и гусеничного хода. У драглайнов к таким приводам относят привода подъема, поворота, тяги и шагающего хода. Требования, предъявляемые к этим механизмам, обусловлены технологическим процессом, конструкцией механизма и условиями эксплуатации /3/. Для лебедочных механизмов одноковшовых экскаваторов (подъем, напор, тяга) к таким специфическим особенностям относят следующие: циклический характер работы в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками, реверсами и торможениями; наличие режимов опускания порожнего ковша, которое целесообразно выполнять на повышенной скорости; широкий диапазон изменения и несимметрия статических нагрузок относительно направления движения; механизмы являются многомассовыми с упругими кинематическими связями, управляющие или возмущающие воздействия вызывают колебания упруго связанных масс; наличие в цикле экскавации продолжительных режимов, когда привод должен работать со скоростью, близкой к нулю и развивать на валу двигателя значительный момент - режим «удержания ковша»; наличие в цикле экскавации стопорения механизмов напора и подъема.
7) диапазон регулирования скорости (4-6):1. Для опорно-поворотных механизмов : циклический характер работы в повторно-кратковременном режиме с пусками, реверсами и торможениями; реактивный характер момента нагрузки при относительно небольшом его значении (20% от стопорного значения); наличие активной составляющей момента нагрузки от возможного крена экскаватора и ветровой нагрузки (до 20% от стопорного значения);
4) наличие упруго связанных с платформой инерционных масс, пере ходные процессы сопровождаются механическими колебаниями; значительный приведенный к валу двигателя момент инерции, в 5-10 и более раз превышающий момент инерции двигателей, механизм работает преимущественно в переходных режимах; изменения приведенного к валу двигателя момента инерции в зависимости от загруженности ковша и положения рукояти ковша; большое передаточное отношение механизма и, следовательно, большой, приведенный к валу двигателя зазор в зубчатых передачах (при изношенных механизмах может достигать до 1.5 оборота двигателя);
8) диапазон регулирования скорости (3-4):1. Для механизмов гусеничного хода: режим работы - повторно-кратковременный, момент нагрузки от реактивного, превышающего номинальный момент, до активного при движении машины под уклон, составляющего до 30% от номинального момента двигателя; возможны стопорения механизма при наезде гусениц на препятствия; для обеспечения маневренности экскаватора требуется плавное регулирование скорости правой и левой гусениц и по отдельности и одновременно; машина может двигаться под уклон со скоростью, больше номинальной;
5) диапазон регулирования скорости (3-4):1. Условия эксплуатации карьерных экскаваторов:
1) температуры окружающего воздуха для различных климатических исполнений: -45 ... +45 С для исполнения У, -50 ... +45 С для исполнения ХЛ, +50 для исполнения Т; высокая запыленность окружающего воздуха (содержание невзрывоопасных и неагрессивных частиц до 3 г\м ); влажность воздуха до 85% при температуре +20 С; механические воздействия: тряска, удары, вибрация, наклоны; ограниченная мощность карьерных сетей, большие колебания питающего напряжения (-30 - +20%); ограниченные зоны обслуживания ввиду стесненного размещения оборудования в корпусе экскаватора; эксплуатация оборудования в полевых условиях, которые обусловливают затруднения в обслуживании и ремонте техники, нехватку квалифицированного обслуживающего персонала.
Из вышеприведенных особенностей и условий эксплуатации вытекают следующие требования, предъявляемые к электроприводам основных механизмов одноковшовых экскаваторов: бесступенчатое регулирование скорости в указанных диапазонах, обеспечении реверса и генераторного торможения; ограничение момента в статических и динамических режимах; ограничение рывка в переходных процессах; минимальное время переходных процессов при ограничении максимального момента, рывка и ускорения; жесткость механических характеристик привода должна обеспечивать удержание ковша и позиционирование механизма при заданной скорости равной нулю, контроль нагруженности электропривода и участие электропривода в демпфировании механических колебаний механизма; электропривод должен сохранять работоспособность при просадках напряжения сети, возникновение аварийных режимов в электроприводе при внезапном отключении питания недопустимо.
Наиболее распространенной системой электропривода для основных механизмов экскаватора, обеспечивающей вышеприведенные требования, до сегодняшнего 'дня остается система генератор-двигатель (Г-Д). Для регулирования возбуждения на генераторах и двигателях использовались на более ранних системах магнитные усилители (МУ), на более современных - тири-сторные или транзисторные возбудители. Статистика использования различных систем управления электроприводов одноковшовых экскаваторов по 10 основным горнодобывающим предприятиям СНГ приведена в таблице 1 /3/.
Как видно из таблицы 1, большинство используемых экскаваторов имеют морально и физически устаревшую систему МУ-Г-Д и требуют модернизации.
Таблица 1
Она может быть направлена на достижение следующих целей: повышение надежности системы электропривода; улучшение быстродействия; улучшение энергетических показателей;
На сегодняшний день возможны три пути модернизации экскаваторного электрооборудования: все электропривода основных механизмов заменяются на электропривода переменного тока по системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД); на экскаваторе остаются штатные двигатели постоянного тока, штатная система Г-Д заменяется на систему управляемый преобразователь -двигатель (УП-Д), в качестве преобразователя используется тиристорный или транзисторный преобразователь; на экскаваторе остаются штатные двигатели постоянного тока, остается штатная система Г-Д, магнитные усилители заменяются тиристорны-ми или транзисторными возбудителями.
Кратко охарактеризуем специфические черты каждого направления.
Первое- направление модернизации подразумевает полную замену электрооборудования на экскаваторе. Электропривода по системе ПЧ-АД могут быть реализованы несколькими путями. В качестве преобразователей частоты могут быть использованы: преобразователи со звеном постоянного тока; непосредственные преобразователи частоты (НПЧ).
Каждый вид, в свою очередь подразделяется еще на несколько типов: преобразователи со звеном постоянного тока: автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные инверторы тока (АИТ);
НПЧ разделяют по схемам выпрямления и по пульсности: нулевые (трехпульсные и эквивалентные шестипульсные), мостовые (шестипульс-ные), двенадцатипульсные, и т. д., существуют и так называемые кольцевые схемы, в которых преобразователи соединены в кольцо.
По конструктивному исполнению ПЧ могут выполняться и на тиристорах и на транзисторах.
На сегодняшний день большинство предлагаемых на рынке преобразователей частоты предназначены для механизмов со спокойным режимом работы и преимущественно в двигательном режиме. К таким механизмам относят насосы, вентиляторы и т.п. Из производителей можно выделить следующих. Зарубежные: Siemens, ABB, HITACHI, OMRON и т.д., отечественные: ТРИОЛ, ЗАО «Эрасиб» (г. Новосибирск), ОАО «Электросила».
Наиболее распространенным конструктивным решением для преобразователей частоты является транзисторный АИН с ШИМ и неуправляемым выпрямителем (НУВ) на входе. Упрощенная силовая схема такого преобразователя представлена на рис. 1.
о-
2\ 2\ 2\ _VDHL
2\ 2\ Л ^V \/П7 -^ \/ПО ^Ч ' VT6 , 4L 2\ рис.1 Упрощенная силовая схема электропривода по системе АИН-АД без рекуперации энергии
В таком преобразователе энергия из сети через неуправляемый выпрямитель VD1-VD6 накапливается в конденсаторе С1. Для обмена энергией между конденсатором и двигателем предназначен автономный инвертор VT1-VT6 (энергия передается от конденсатора к двигателю) и обратный неуправляемый выпрямитель VD7-VD12 энергия передается от двигателя к конденсатору). В тормозных режимах механическая энергия двигателя преобразуется в электрическую и накапливается в конденсаторе С1, повышая на нем напряжение. Для предотвращения перенапряжения включается узел «слива» энергии, состоящий из дополнительного транзистора VT7 и сопротивления R1, на котором рассеивается лишняя энергия. Для того, чтобы рекуперировать энергию обратно в сеть, такой преобразователь необходимо комплектовать дополнительным блоком рекуперации, который представляет собой тиристорный или транзисторный инвертор.
Такое построение преобразователя позволяет получить практически синусоидальные токи в нагрузке. Напряжение, приложенное к двигателю, при этом имеет импульсный характер. Диапазон частот тока в нагрузке составляет от единиц до нескольких сотен герц. Получение частоты выходного тока ниже 2 Гц требует специального алгоритма управления ШИМ. А это усложняет программное обеспечение преобразователя. Ток, потребляемый из сети, практически всегда имеет Cosq) близкий к единице, но содержит высшие гармонические составляющие. Таким образом, для совместимости с сетью приводу по системе АИН-АД требуется фильтрокомпенсирующее устройство для подавления высших гармоник потребляемого тока.
Экскаваторные привода с двухзвенными преобразователями частоты с 80-х годов прошлого века применяет в своих одноковшовых экскаваторах американская фирма Bucyrus-Erie. Это экскаваторы типов 395-В, 295-BII, 290-ВП с емкостью ковша 17-34 м2 /3/.
Для улучшения массогабаритных показателей и уменьшения количества силовых элементов фирмы-производители таких систем предлагают объединять привода основных механизмов по шинам постоянного тока. По такой схеме реализованы привода экскаватора 295-BII (емкость ковша 34 м ) фирмы Bucyrus-Erie. Электропривода по аналогичной схеме предлагает ОАО «Электропривод» (силовое оборудование произведено фирмой SIEMENS). Но кроме вышеперечисленных достоинств такая система обладает и одним существенным недостатком: все привода получаются гальванически связанными, что отрицательно сказывается на надежности работы всего экскаватора.
Если привод по системе АИН с ШИМ для рекуперации энергии в сеть требует дополнительного узла рекуперации, то в приводах по системам АИТ-АД и НПЧ-АД это происходит автоматически и дополнительных узлов не требуется. Упрощенная силовая схема привода по системе АИТ-АД приведена на рис. 2.
На рис. 2 тиристоры VS1-VS6 представляют собой управляемый выпрямитель, запираемые тиристоры VS7-VS12 - АИТ.
VS5 рис.2 Упрощенная силовая схема электропривода по системе АИТ-АД
Электропривода по системе АИТ-АД не получили широкого распространения в связи с тем, что данная система обеспечивает ступенчатую форму тока и, как следствие, колебание скорости около нуля.
В системах с АИН и АИТ энергия к двигателю подводится и отводится от него последовательно через несколько блоков (неуправляемый выпрямитель - АИН и обратный выпрямитель - блок рекуперации в системах с АИН и управляемый выпрямитель - АИТ в системах с АИТ). Причем мощность каждого из этих блоков должна быть не меньше мощности двигателя. Таким образом, общая установленная мощность электропривода минимум в 3 раза больше мощности электродвигателя.
От такого недостатка избавлены электроприводы по системе НПЧ-АД. В них энергия подводится к двигателю по нескольким параллельным ветвям одновременно. Это позволяет повысить общий КПД системы.
Использование тиристоров в качестве силовых приборов позволяет повысить надежность системы за счет того, что тиристор может выдерживать большие токовые перегрузки. С другой стороны, тиристор- это одноопераци-онный прибор. Это обусловливает необходимость использования специальных алгоритмов управления или узлов искусственной коммутации. Токи, получаемые в нагрузке, имеют кроме первой гармоники высшие гармонические составляющие. Они не создают активного момента, а только дополнительно греют двигатель. Одним из главных недостатков тиристорных НПЧ является низкая максимальная величина частоты вращения двигателя. Плавное регулирование частоты выходного напряжения выше 25 Гц затруднено. Выходом из этой ситуации могут послужить следующие меры: установка двигателя повышенной мощности и с меньшим числом пар полюсов (при этом габариты двигателя не увеличиваются), питание двигателя токами с частотой не выше 25 Гц или изготовление специального двигателя /8/.
Использование фазового управления тиристорами в составе НПЧ является причиной низкого Cosq> системы в целом. Потребляемый из сети ток так же содержит высшие гармонические составляющие. Для совместимости тиристорного НПЧ с питающей сетью необходимо использовать ФКУ для компенсации первой гармоники тока и подавления высших гармонических составляющих.
От этого недостатка избавлены транзисторные НПЧ. Транзистор является полностью управляемым прибором. При использовании соответствующих алгоритмов управления это позволяет получить практически синусоидальные токи и в нагрузке и в сети. Cosq) системы близок к единице практически во всех режимах работы привода. Диапазон частот выходного тока составляет от 0 до сотен Герц. С другой стороны перегрузочная способность транзистора как правило не превышает 2 на отрезке времени в несколько микросекунд. Это требует повышенного внимания к защите преобразователя. Время включения и выключения транзистора на два порядка меньше аналогичных параметров тиристора. В связи с этим силовая схема не должна содержать паразитных индуктивностей и емкостей. А это накладывает жесткие ограничения на конструкцию силовой части и требует повышенных затрат на проектирование преобразователя.
Универсальные привода для подъемно-транспортных и центробежных механизмов по системе тиристорные НПЧ-АД выпускаются отечественными и зарубежными производителями. Из отечественных производителей можно назвать ЗАО «Эрасиб» (выпускает НПЧ с нулевыми и мостовыми схемами соединения тиристоров мощностью до 132 кВт), ООО «Элпри», ОАО «ВНИИР» (г. Чебоксары) (мощность до 500 кВт), корпорация «ТРИОЛ» (преобразователи частоты мощностью до 5 МВт). Из зарубежных производителей наиболее активно на российском рынке работают фирмы SIEMENS, ABB 111, 131.
Второй путь модернизации электрооборудования состоит в замене системы Г-Д на систему тиристорный преобразователь-двигатель (ТП-Д) или транзисторный преобразователь-двигатель.
Система ТП-Д обусловливает дополнительные проблемы при эксплуатации: возможное опрокидывание инвертора (при «подхватывании» ковша в приводе подъема при выходе из режима повышенной скорости или при пропадании или значительном снижении питающего напряжения); потребление значительной реактивной мощности на низких скоростях вращения двигателя; потребление несинусоидального тока из сети.
Наиболее значительной проблемой является опрокидывание инвертора. При этом в цепи якоря двигателя могут протекать токи, превышающие максимально допустимые и могущие вызвать поломку, как двигателя, так и механического оборудования. Кроме того, при таком аварийном режиме, как правило, выходят из строя тиристоры.
Наработанный опыт в управлении тиристорным преобразователем и разработка более надежных схем управления и защиты позволяет применять данную систему электропривода на экскаваторах. ОАО «Электропривод» (бывший ВНИИ Электропривод) с 1978 года ввело в эксплуатацию более 20 экскаваторов ЭКГ-20 с системой ТП-Д /6/. Большая часть их (18 машин) функционирует до сегодняшнего времени. Как показывает опыт эксплуатации этих машин, большая часть отказов (39.3%) происходит из-за системы управления. Это указывает на необходимость более внимательного подхода к проектированию этого узла. Проблемам разработки систем ТП-Д для экскаваторов посвящены и работы /9/, /10/,/11/,/12/.
Третий путь модернизации заключается в замене только системы возбуждения электрических машин. В качестве возбудителей могут выступать тиристорные или транзисторные преобразователи. Обобщенные схемы подключения возбудителей изображены на рис. 3-5.
На рис. 3 изображена обобщенная силовая схема экскаватора ЭКГ-10 с тиристорными возбудителями. Каждая обмотка возбуждения имеет индивидуальный возбудитель (UZ1-UZ8). Каждый возбудитель представляет собой тиристорный преобразователь с нулевой или мостовой схемой включения тиристоров.
На сегодняшний день основными производителями таких систем являются ОАО «Электропривод», ОАО «Электросила» и ОАО «Рудоавтомати-ка» /4/.
ОАО «Электропривод» строит свои системы на основе тиристорных блоков Б3801. В отличие от приведенной схемы (рис.3) все блоки возбудителей питаются от одного трансформатора. т дергач подъем
^ напор-ход
\ поворот-ход
S* рис.3 Упрощенная схема подключения тиристорных возбудителей
TV9
TV5
С6 С7 дергач подъем --| напор-ход \ поворот-ход
СЗ С8
TV1 рис.4 Упрощенная схема подключения возбудителей по системе АИН с индивидуальными звеньями постоянного тока дергач М
М подъем напор-ход \ поворот-ход \ О- рис.5 Упрощенная схем подключения возбудителей по системе АИН с общим звеном постоянного тока
Каждый из возбудителей представляет собой однофазный нереверсивный (для обмотки возбуждения двигателей) или реверсивный (для обмотки возбуждения генераторов) управляемый (для двигателей подъема) или полууправляемый (для двигателей напора и поворота) выпрямитель. Такая схема имеет хорошие массогабаритные показатели. Но в такой схеме из-за общего трансформатора не обеспечивается гальванической развязки приводов. Кроме того, требуется специальное исполнение генераторов со средней точкой обмоток возбуждения. Так же необходимо применять специальные меры для улучшения коммутации генераторов из-за высоких пульсаций напряжения возбудителя.
ОАО «Электросила» выполняет свои системы на базе блоков тиристорного управления БТУ-200 (для возбудителей), и БТУ-630 для возбуждения синхронного двигателя. Возбудители представляют собой мостовые трехфазные схемы в приводах подъема и напора и нулевую схему в приводе поворота. Такая схема обеспечивает хорошую управляемость приводов, а так же большое быстродействие и маневренность экскаватора. Вся система управления для обеспечения надежности разделена на ячейки. При этом блок управления приводом подъема содержит 18 ячеек, блоки управления приводами напора и поворота - по 19 ячеек. В комплект входят так же несколько резервных ячеек для каждого блока управления. При производстве системы ОАО «Электросила» ориентируется преимущественно на импортные комплектующие. Это позволяет повысить надежность электроники. Предполагается, что срок службы всех компонентов в ячейке примерно одинаков и при выходе из строя ячейки ее просто заменяют, а старую не ремонтируют. Однако резервирование ячеек не обеспечивает уменьшения времени простоя экскаватора в случае отказа ячейки (среднее время замены неисправной ячейки составляет почти 2.5 часа) /4/. Неудачные конструктивные решения приводят к частым остановкам экскаватора из-за потери контакта в разъеме или поломки механических частей.
ОАО «Рудоавтоматика» в качестве возбудителей использует моноблочные экскаваторные тиристорные преобразователи типа ПТЭМ. Каждый преобразователь собран по нулевой трехфазной реверсивной схеме. В схеме используются развязывающие трансформаторы. Обмотка возбуждения каждого генератора имеет свой трансформатор, обмотки возбуждения двигателей объединены по переменному току и имеют один трансформатор на три привода /51. Конструктивно моноблоки представляют собой функционально законченную безналадочную конструкцию. Все настройки осуществляются снаружи блока на специальной плате обвязок. Такая конструкция позволяет сократить простои экскаватора в случае неисправности блока до 10-15 минут. Сами блоки могут заменяться неквалифицированным персоналом.
Кроме того, на базе ПТЭМа легко построить электропривода по системам тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двигатель, тири-сторный преобразователь - двигатель постоянного тока, асинхронно-вентильный каскад и непосредственный преобразователь частоты - асинхронный двигатель.
На рис.4 приведена примерная схема с использованием возбудителей на базе АИН. Каждая обмотка возбуждения имеет индивидуальный возбудитель. Каждый возбудитель представляет собой комплектный преобразователь, состоящий из АИН (UZ1-UZ3, UZ7-UZ9, UZ15), НУВ с блоком «слива» энергии или сетевым инвертором (UZ4-UZ6, UZ10-UZ12,UZ16) и батареи конденсаторов (С1-С8).
Такая схема обеспечивает хорошие форсировки приводов и их гальваническую развязку. Но она практически не используется из-за очень большого количества силовых ключей. На рис.5 приведена модернизированная схема. Каждая обмотка возбуждения имеет индивидуальный АИН (UZ1-UZ7). Неуправляемый выпрямитель с блоком «слива» энергии или сетевым инвертором (UZ8) является общим для всех обмоток возбуждения, батарея конденсаторов (С1) так же общая.
Такую схему включения нескольких преобразователей с автономным инвертором напряжения впервые предложила фирма ABB.
Подобные схемы используют ОАО «Электросила» и «Объединенная энергия» (для экскаватора ЭКГ-10) и ЗАО «Робитекс» (для экскаватора ЭКГ-5). В качестве преобразователя для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя у всех перечисленных производителей используется отдельный тиристорный преобразователь. Звено постоянного тока питается от отдельного трансформатора (ОАО «Электросила» и «Объединенная энергия») или представляет собой генератор собственных нужд (ЗАО «Робитекс»). Инвертор, рекуперирующий энергию в сеть, не используется. На всех системах для «слива» лишней энергии установлены мощные реостаты. Основным недостатком данной схемы является то, что все обмотки возбуждения гальванически связаны. Это требует повышенного внимания при разработке защит, применяемых в данной схеме.
В последнее время практически все системы экскаваторного электропривода выполняются на основе микропроцессорного управления. Это подразумевает не только использование микропроцессоров для управления силовыми ключами, но так же и более широкие средства диагностики и инди- кации работы экскаватора. С использованием микропроцессоров появляется возможность без особых усилий контролировать не только ход технологического процесса, но и огромное количество второстепенных параметров вплоть до состояния каждого силового ключа. Так же в последнее время появилась тенденция использования управляющих сетей внутри каждого отдельного экскаватора. Например, последняя разработка ОАО «Рудоавтома-тика» представляет собой систему ТВ-Г-Д, в которой все тиристорные возбудители объединены во внутреннюю сеть по интерфейсу RS-485. Большая часть релейной аппаратуры и все настройки приводов сосредоточены в специальном технологическом контроллере (ТК). ТК позволяет заменять моноблоки возбудителей не только внутри одного экскаватора, но и между разными экскаваторами. Настройка моноблоков происходит автоматически при установке моноблока в шкаф. По такой системе на лето 2005 года работает 2 экскаватора: ЭКГ-10 №133 на Лебединском ГОКе и ЭКГ-8УС № 61 на Стой-ленском ГОКе.
Таким образом, с точки зрения качества регулирования и надежности работы лучшими являются привода по системе транзисторный НПЧ-АД. Для обеспечения надежности строить такие привода желательно используя принцип моноблочное.
Но следует учитывать, что мощные привода по системе транзисторный НПЧ-АД на сегодняшний день не вышли из стадии опытных образцов. Кроме того, ситуация в России такова, что подавляющее большинство работающих экскаваторов имеет привода на постоянном токе. Абсолютное большинство новых экскаваторов проектируется так же под системы постоянного тока. Поэтому представляется интересным разработка и исследование транзисторного преобразователя, который позволил бы улучшить надежность, энергетические показатели и быстродействие существующих приводов.
В связи с этим целью данной работы является улучшение динамических, энергетических и надежностных показателей электроприводов экскаваторов на постоянном токе, выполненных по системам транзисторный возбудитель - генератор - двигатель и транзисторный преобразователь - двигатель.
Существующие разработки на базе транзисторных преобразователей, удовлетворяющие требованиям к электроприводу экскаваторов
Для обеспечения максимальной производительности экскаватора при минимальных нагрузках на его механическое и электрическое оборудование, электропривода основных механизмов должны отвечать всем жестким требованиям, предъявляемым к электрооборудованию горных машин.
На сегодняшний день на российском рынке экскаваторные электропривода по системе транзисторный возбудитель - генератор - двигатель (ТрВ-Г-Д) предлагают несколько производителей. Это ОАО «Электросила», ЗАО «Робитекс», компания «Объединенная энергия». Электропривода по системе транзисторный преобразователь - двигатель постоянного тока предлагает ЗАО «Энергоэлектрика» (г. Обнинск). Все названные производители строят свои системы на базе транзисторных преобразователей с ШИМ регулированием. Обобщенная функциональная схема такого преобразователя для трехфазной сети и однофазной нагрузки представлена на рис. 1.12. На этом рисунке: ФКУ - фильтрокомпенсирующее устройство, НУВ1 и НУВ2 - неуправляемые выпрямители, И - инвертор, ведомый сетью, БСЭ - блок слива энергии, Ф - фильтр, АИН - автономный инвертор напряжения с ШИМ регулированием, Н - нагрузка. ФКУ используется только тогда, когда это необходимо с точки зрения электромагнитной совместимости с питающей сетью.
Практически это необходимо только тогда, когда работа преобразователя оказывает нежелательное влияние (искажение формы напряжения) на питающую сеть. Это происходит при мощностях от десятков киловатт и выше.
БСЭ представляет собой дополнительный силовой ключ и активное сопротивление, подключенные параллельно конденсатору фильтра. Когда напряжение на конденсаторе превышает номинальное значение (это происходит при режимах, когда нагрузка отдает энергию), ключ замыкается и «лишняя» энергия из конденсатора рассеивается на сопротивлении. Привода по такой схеме использованы на экскаваторе типа 395-В выпуска 1995 года, выпущенном фирмой Bucyrus-Erie, работающем в Югославии 121. Энергия торможения двигателей (кратковременно до 1150 кВт) на этом экскаваторе рассеивается на сопротивлениях.
Рекуперация энергии в сеть связана с дополнительными сложностями. Во-первых, это потребность в дополнительном устройстве с установленной мощностью не менее мощности нагрузки, которое будет осуществлять рекуперацию энергии. И, во-вторых, это сложность обеспечения высокого Cos ф системы при рекуперации энергии.
Рассмотрим более подробно системы каждого производителя.
Система электропривода построена по принципу общего звена постоянного напряжения (рис. 1.13). Как видно из рисунка, все привода гальванически связаны. В качестве звена постоянного напряжения используется реверсивный выпрямитель (РВ), который позволяет рекуперировать энергию в сеть. РВ представляет собой трехфазный мост. Ключи моста - это встречно-параллельно включенные диоды и IGBT-транзисторы. В состав РВ так же входят силовой LC-фильтр на входе моста и общая батарея конденсаторов с аварийным балластным сопротивлением на выходе. Разнесение в пространстве конденсаторов фильтра и силовых транзисторов увеличивает перенапряжения на транзисторах при их переключении /27/, /28/, /29/, /30/.
Независимые обмотки возбуждения двигателей питаются от отдельных блоков управления возбуждением (БУВ). Каждый из них представляет собой стабилизатор тока на одном транзисторе с ШИМ регулированием. Питание всех стабилизаторов производится от общего звена постоянного напряжения. Оно представляет собой полууправляемый трехфазный тиристор-ный мост. Это звено постоянного напряжения запитывается от отдельного трансформатора, общего для всех обмоток. Таки образом, обмотки возбуждения всех двигателей так же гальванически связаны. Силовые блоки (СБ) якорных цепей представляют собой комбинация однофазного транзисторного моста и преобразователя постоянного тока на двух транзисторах LC-фильтром. Управление напряжением на якоре двигателя - двухзонное. В рабочей области напряжений работает преобразователь постоянного тока. И только при малых заданиях на скорость двигателя (10-15% от номинала) включается ШИМ-модуляция на транзисторах моста.
Все силовые преобразователи управляются с помощью блоков управления преобразователем (БУП). Каждый БУП представляет собой микропроцессорную систему. Она кроме функций управления транзисторами осуществляет защиту силовых ключей и диагностику состояния преобразователя. Все БУПы связаны в локальную сеть. Это позволяет легко настраивать привода экскаватора.
Привода по системе транзисторный возбудитель-генератор-двигатель всех производителей построены по принципу общего звена постоянного тока (рис. 5 введения). Рассмотрим подробнее особенности построения систем управления каждого производителя.
ОАО «Электросила». На основе совместных исследований с институтом «Гипроуглеавтоматизация» ОАО «Электросила» выпускает низковольтные комплектные устройства (НКУ) семейства Ш38ХХ (Ш3801, Ш3802, Ш3803,...) 111. Эти НКУ построены по системе ТрВ-Г-Д по схеме, изображенной на рис.5 введения. В качестве возбудителей двигателей (UZ4 - UZ6 на рис.5) используются преобразователи с одним силовым транзистором (рис. 1.14 а). Для возбуждения генераторов используются мостовые преобразователи с четырьмя транзисторами (рис. 1.14 6).
Определение требований к системе управления
В преобразователе с релейным формированием тока частота коммутации силовых транзисторов зависит от индуктивности и активного сопротивления нагрузки, напряжения в звене постоянного напряжения и ширины «токового коридора». Для того, чтобы эта частота не превышала заданной, мы предлагаем принудительно ограничивать ширину «токового коридора». Это можно сделать с помощью настройки системы управления.
Выведем выражение для частоты переключения силовых транзисторов. Для упрощения расчетов, в дополнение к приведенным (п. 3.2), примем следующие допущения:
1. Напряжение в звене постоянного напряжения не изменяется;
2. Ток нагрузки - постоянный с неизменной амплитудой. При таких допущениях ток нагрузки имеет периодический характер. Кривая тока нагрузки приведена на рис. 2.1.
Частота переключения транзисторов определяется по выражению (3.5): Ft =4 (3.5) где Ft - частота включения силового транзистора коммутатора, Гц; Tt - период тока нагрузки, с. Период тока нагрузки состоит из двух отрезков времени: времени включенного состояния транзистора (і\ на рис. 2.1) и времени выключенного состояния транзистора (t2): Tt = t,+t2, (3.6) где ti - время включенного состояния транзистора коммутатора, с; t2 - время выключенного состояния транзистора коммутатора, с.
Для того, чтобы найти ti и t2, построим упрощенную схему замещения коммутатора на этапе его работы в режиме потребления и в режиме рекуперации, составим уравнения, описывающие эту схему и решим их относительно t] и t2.
Пусть на этапе потребления открыты транзисторы VT1 и VT4. Все диоды в коммутаторе при этом закрыты, транзисторы VT2 и VT3 так же закрыты (рис. 2.5). Схема замещения коммутатора на этапе потребления представления на рис. 3.4 а). На этапе рекуперации закрыты все транзисторы, но открыты обратные диоды у транзисторов VT2 и VT3 (рис. 2.5). Схема замещения коммутатора на этапе рекуперации представлена на рис. 3.4 б).
Дифференциальное уравнение, описывающее поведение коммутатора на этапе потребления представляет собой выражение (3.7), на этапе рекуперации - выражение (3.8):
Подставляя в это выражение значения параметров физической модели, исследуем их влияние на частоту переключения транзисторов.
Зависимость частоты переключения от тока задания и ширины «токового коридора»:
Примем параметры нагрузки как в физическом макете: Rn=5.533 Ом, Ln=70-10"3 Гн, 11зпн=351 В. Ширину «токового коридора» будем изменять от 0.2 до 2А, ток задания - от 0 до 60А. Подставив эти значения в (3.18) построим график Ft=f(dI,I3aa). Результаты расчетов приведены нарис. 3.5.
Зависимость частоты переключения транзисторов коммутатора от напряжения в звене постоянного напряжения и тока задания:
Примем ширину токового коридора AT = 1А, и параметры нагрузки как в физическом макете. Напряжение в звене постоянного напряжения будем изменять от 150 до 512В, ток задания - от 0 до ЗОВ. Подставив эти значения в (3.18) построим график Ft= TJ3nH,I3w)- Результаты расчетов приведены на рис. 3.7.
Разработка моноблока преобразователя с релейным формированием тока нагрузки
Как видно из п.2.2 и 4.1 силовая схема преобразователя должна содержать 11 (в случае однофазной нагрузки) или 13 (в случае трехфазной нагрузки) силовых транзисторов.
Транзисторы выбираются исходя из тока, протекающего в обмотках возбуждения генераторов и двигателей экскаватора ЭКГ-10. Эти данные приведены в таблицах 4.1 (двигатели) и 4.2 (генераторы).
Для самого мощного генератора - генератора подъема номинальный ток возбуждения составляет 74 А. В
Для выбора транзисторов необходимо так же знать максимальный ток обмотки возбуждения в процессе работы. Для этого приведем осциллограммы работы привода подъема в процессе копания (рис. 4.4).
Эти осциллограммы сняты на экскаваторе №71, работающем на Михайловском ГОКе в Курской области. На этом экскаваторе установлены электропривода выполненные по системе ТВ-Г-Д, система управления производства ОАО «Рудоавтоматика».На этих осциллограммах вверху - напряжение задания-, посередине - ток обмотки возбуждения генератора подъема , внизу - ток якоря двигателя подъема. Из осциллограмм видно, что максимальный ток обмотки возбуждения генератора подъема составляет 120А. Соответственно необходимо выбирать транзисторы минимум на 150 А. Выберем транзисторы типа GA150TD12U производства фирмы International Rectifier. При использовании таких транзисторов габариты и масса одного моноблока получаются достаточно большими.
Масса 6-ти выбранных транзисторных модулей по 2 транзистора и 2 обратных диода в каждом составляет 2.4 кг, масса системы охлаждения оценочно минимум в четыре раза больше.
Так же необходимо учесть массу силовых шин, различных конструктивных элементов, системы управления. Таким образом, общая масса преобразователя оценочно превышает 15 кг. Общая ширина шести модулей, установленных в ряд с зазором в 10 мм составляет 360 мм.
Габариты системы охлаждения при естественном охлаждении превышают 1 метр /43/, при принудительном охлаждении, в зависимости от скорости продуваемого воздуха и размеров и типа вентилятора, составляют от 500мм и выше /43/. А еще необходимо учесть размеры различных конструктивных элементов (стойки, шасси, экраны и т. д.), а так же то, что конструкция транзисторного моноблока представляет собой сложную пространственную композицию.
В связи с этим могут возникнуть трудности с заменой неисправного моноблока. Для того чтобы этого избежать, мы предлагаем разбить весь преобразователь на два моноблока. Силовая схема каждого из них состоит из четырех транзисторных модулей. Таким образом, принципиальная электрическая схема силовой части моноблока будет выглядеть как на рис. 4.5.
1 На этом рисунке не показаны снабберные цепи и конструкция датчиков, указано лишь их подключение. Для контроля сетевых напряжений и тока нагрузки необходимо включить в состав моноблока минимум 2 датчика напряжения на входе и 2 датчика тока на выходе. Для разгрузки процессора от вычислений недостающих напряжений и токов установим в моноблоке 3 датчика напряжения на входе моноблока, 1 датчик напряжения на выходе моноблока и 2 датчика тока на выходе моноблока. Это не усложнит конструкцию моноблока, т. к. на сегодняшний момент существуют микросхемы, специально предназначенные для преобразования и гальванической развязки сигналов с различных датчиков (например, HCPL788, HCPL7840, и т. д.).
При таком подходе преобразователь будет состоять из двух моноблоков, соединенных шинами звена постоянного напряжения. Схемы управления и программное обеспечение двух моноблоков в составе преобразователя одинаковы. Программа строится согласно блок-схеме на рис. 4.6.
Общая блок-схема алгоритма работы программного обеспечения моноблока
Выбор роли моноблока при начале работы преобразователя заключается в анализе показаний датчиков. Этот анализ производится после небольшой выдержки времени с момента подачи питания, чтобы закончились все переходные процессы в силовых цепях, и при всех закрытых транзисторах. При наличии в каждом моноблоке 4-х датчиков напряжения (рис. 4.5) различным режимам работы моноблоков соответствуют различные начальные показания датчиков.
Если моноблок подключен тремя входными фазами к сети, а выходными шинами постоянного тока к другому преобразователю, то этот моноблок должен работать в качестве инвертора ведомого сетью. Соответственно ДНІ, ДН2 и ДНЗ должны показать наличие переменного напряжения заданной величины, ДН4 должен показать наличие постоянного напряжения, величина которого должна соответствовать величине входного переменного напряжения.
Если моноблок подключен шинами постоянного тока к другому моноблоку, а шины переменного тока подключены к нагрузке или к защитному сопротивлению, то моноблок должен работать в качестве коммутатора. При этом ДНІ, ДН2 и ДНЗ должны в начале работы показать отсутствие напряжения, ДН4 должен показать наличие постоянного напряжения.
Параллельно с анализом состояния преобразователя происходит начальная диагностика питающей сети и элементов преобразователя. При измерении напряжений питающей сети производится анализ на отсутствие фазы, перекос фаз, проседание одной или двух фаз. При измерении постоянного напряжения производится анализ на соответствие его измеренным переменным напряжениям, анализ на правильность работы элементов моноблока: ес ли один из силовых ключей пробит или не открывается, то форма напряжения в звене постоянного тока не будет соответствовать заданной. Такая же диагностика ведется так же и в процессе работы моноблока.
При такой организации работы моноблоки кроме силовых шин связаны друг с другом только несколькими информационными каналами, по которым передается информация об авариях.
Динамические показатели электроприводов
Для сравнения динамических показателей электроприводов оценим ошибку регулирования по току в режиме стопорения привода. Для этого аналитическим способом выведем выражение для установившейся динамической ошибки регулирования по возмущению. При этом примем, что в режиме стопорения контур напряжения и контур положительной обратной связи по току разомкнуты. Таким образом, нам необходимо вывести выражение только для контура тока. На структурных схемах он обведен пунктирной линией, в системах Г-Д - дополнительно обозначен цифрой 2. Возмущающим воздействием во всех случаях будет ЭДС двигателя, входным - напряжение с выхода регулятора напряжения, выходным - ток якоря двигателя.
Выражения для ошибки будем выводить отдельно для систем генератор-двигатель и преобразователь-двигатель.
Анализ структурных схем систем генератор-двигатель (рис. 5.1 - рис. 5.3) показывает, что структуру контура тока якоря двигателя можно считать одинаковой во всех системах, если объединить возбудитель и обмотку возбуждения в одно звено WB-OB- ВИД преобразованного таким образом контура тока показан на рис. 5.7.
1. Установившаяся динамическая ошибка прямо пропорциональна темпу изменения сигнала возмущения. Т. е. чем меньше время стопорения системы, тем больше ошибка регулирования по току;
2. Установившаяся динамическая ошибка не зависит от постоянных времени обмотки возбуждения генератора и якорной цепи двигателя.
Последнее утверждение позволяет при анализе ошибки заменить в системе генератор-двигатель регулятор тока, возбудитель и генератор, а в системе преобразователь-двигатель регулятор тока и преобразователь одним эквивалентным коэффициентом усиления ктп. В результате этого контур тока всех рассматриваемых систем сводится к изображенному нарис. 5.8.
Анализ.выражения (5.19) позволяет сделать следующий вывод: Величина установившейся динамической ошибки обратно пропорциональна общему коэффициенту усиления прямого канала контура регулирования тока. А т. к. в него неотъемлемой частью входит преобразователь, то мы можем сказать: чем больше коэффициент усиления преобразователя, тем меньше величина установившейся динамической ошибки.Для того, чтобы оценить величину перерегулирования по току, построим графики переходных функций для контуров тока рассматриваемых систем в режиме стопорения.
Для этого с помощью компьютерной программы Maple произведем обратное преобразование Лапласа для выражений (5.11)-(5.13) и (5.17), (5.18) с параметрами реально существующих физических макетов. Параметры макетов приведены в таблице 5.1. Для проверки сделанных выводов снимем осциллограммы работы исследуемых электроприводов.
В системе тиристорный возбудитель-генератор-двигатель (рис. 5.1) возбудитель представляет собой управляемый тиристорный выпрямитель, собранный по реверсивной нулевой схеме (рис. 5.11). Питание возбудитель получает от понижающего трансформатора 380/220В мощностью 16 кВт.
Регулятор напряжения - пропорциональный, регулятор тока -так же пропорциональный.
Технические данные машин, используемых при испытаниях, приведены в таблице 5.2. Технические данные используемого трансформатора приведены в таблице 5.3.
Осциллограммы снятые при пусках и реверсах системы Г-Д с различными возбудителями приведены на рис. 5.12 - рис. 5.14.
При сравнении осциллограмм следует учитывать, что при равных исходных условиях коэффициент усиления транзисторного преобразователя в 2 раза больше, чем тиристорного (таблица 5.1).
На приведенных осциллограммах различается стопорный ток якоря генератора, но это связано с настройками внешней системы управления. Ток стопора в четырехконтурной системе был установлен на уровне 265А, в трехконтурной - 200А.
