Система управления многодвигательным асин хронным электроприводом с частотным регули рованием самоходного вагона

На правах рукописи

Аникин Александр Сергеевич СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫМ АСИН ХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С ЧАСТОТНЫМ РЕГУЛИ РОВАНИЕМ САМОХОДНОГО ВАГОНА Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск – 2012

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Южно-Уральского государственного университета.

Научный руководитель – профессор кафедры «Электропривод и авто матизация промышленных установок» Южно Уральского государственного университета, доктор технических наук, профессор Кодкин Владимир Львович.

Официальные оппоненты: профессор кафедры «Электрификация и энер гоэффективность горных предприятий» Мос ковского государственного горного универси тета, доктор технических наук, профессор Фащиленко Валерий Николаевич;

заведующий кафедрой «Электромеханика и электромеханические системы» Южно Уральского государственного университета, доктор технических наук, профессор Воронин Сергей Григорьевич.

Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Уральский государствен ный горный университет».

Защита состоится 29 марта 2012 г., в 10 часов, в ауд. 1001 на заседании дис сертационного совета Д212.298.05 при Южно-Уральском государственном уни верситете (ЮУрГУ) по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮУрГУ, с авторефератом – на официальном сайте ВАК www.vak.ed.gov.ru и на официальном сайте ЮУрГУ www.susu.ac.ru.

Автореферат разослан «_» 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им.

В.И. Ленина, 76, гл. корпус, Ученый совет ЮУрГУ на имя ученого секретаря, тел./факс: (351) 267-91-23.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.298. доктор технических наук, профессор Ю.С. Усынин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В подавляющем большинстве механизмов горно шахтного оборудования применяется либо нерегулируемый электропривод (ЭП) на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АДКзР), либо ЭП со ступенчатым регулированием скорости, путем переключения числа пар полю сов АДКзР. Одним из примеров таких механизмов является самоходный пневмо колесный вагон, осуществляющий доставку горной массы из забоев до магист ральных конвейеров. Из-за низкого диапазона регулирования зачастую приходит ся выбирать между максимальной скоростью для уменьшения времени доставки и минимальной скоростью для комфортного маневрирования и безопасной эксплуа тации. Повышенный удельный расход электроэнергии и низкая производитель ность вагонов (в настоящее время ниже производительности проходческо очистных комбайнов) ограничивают в целом эффективность отечественных гор но-проходческих комплексов. Поэтому оснащение самоходного подземного транспорта регулируемыми ЭП является актуальной задачей, направленной на обеспечение быстрого и точного регулирования усилий и скорости механизмов, а также ресурсо-энергосберегающих режимов, которые являются сейчас неотъем лемым требованием всех технологических процессов.

Условия эксплуатации тяговых электроприводов (ТЭП) горно-шахтного обо рудования имеют специфические особенности, главным образом связанные с ог раниченной мощностью и сложностью системы электроснабжения, с динамичной нагрузкой, изменяющейся в больших пределах, и с ограниченными габаритами, предоставляемыми для электрооборудования на подвижных механизмах. В связи с этим решение указанных выше проблем возможно только с применением час тотно-регулируемых ЭП горных механизмов. Существенный вклад в развитие этого направления внесли А.А. Булгаков, Г.И. Бабокин, П.Д. Гаврилов, В.А. Дар тау, Е.К. Ещин, А.Е. Козярук, В.И. Ключев, В.А. Мищенко, А.С. Сандлер, А.С.

Сарваров, А.А. Усольцев, В.А. Шубенко и др. Однако в их трудах подробно ис следуется работа электропривода при номинальной нагрузке и мало внимания уделяется характерным для горных механизмов режимам перегрузки.

Более эффективно процесс внедрения происходит, когда заменяют всю сис тему ЭП (в большинстве случаев такое бывает, когда меняется род тока у элек тродвигателей). Зачастую, по технико-экономическим причинам при внедрении частотного регулирования в электромеханическую систему интегрируют только преобразователь частоты (ПЧ), если до этого использовались АДКзР. Когда же речь заходит о специальных двигателях (например: взрывозащищенного исполне ния или индивидуальной разработки), то их сохранение является обязательным условием модернизации.

Большинство технологического оборудования шахт и рудников проектиро валось 30–40 лет назад. При повышении производительности мощность рабочих механизмов чаще всего не увеличивают, вследствие чего механизмы работают с перегрузками. В результате это приводит к частым отказам и выходам из строя технологического оборудования, т.к. контроль параметров работы нерегулируе мых ЭП, как правило, не осуществляется.

Внедрение ТЭП самоходного пневмоколесного вагона с частотным регули рованием для повышения его эксплуатационной надежности и производительно сти требует проведения подробных исследований условий его эксплуатации и разработки эффективной системы управления ЭП.

Работа поддержана Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «УМНИК» (проект №10224) и удостоена диплома Законодательного собрания Челябинской области в номина ции «Лучший научно-исследовательский проект».

Цель работы – повышение эксплуатационной надежности и производитель ности тягового электропривода самоходного вагона при перегрузках и ограничен ной мощности источника энергоснабжения.

Для достижения намеченной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

– установлены особенности основных режимов работы тягового электропри вода самоходного вагона в условиях действующего рудника;

– определены возможности работы используемых асинхронных тяговых электродвигателей с повышенным скольжением в составе частотно регулируемого электропривода;

– исследованы характеристики тягового электропривода самоходного вагона со стандартными алгоритмами управления двигателями при перегрузках и огра ниченной мощности источника энергоснабжения;

– проведены разработка и обоснование алгоритма эффективного частотного управления с учетом конструктивных особенностей и условий работы вагона и используемых тяговых электродвигателей.

Методы исследований.

В работе использовались методы теории электропривода, теории частотного управления асинхронными электродвигателями, методы теории автоматического управления, методы математического и цифрового моделирования на ЭВМ. Экс периментальные исследования проводились на опытном образце самоходного пневмоколесного вагона «В17К» в условиях действующего рудника и на лабора торном стенде ATV71-LEXIUM05.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

– результат анализа векторных диаграмм процессов в частотно-регулируемом ЭП с АДКзР с повышенным скольжением при нагрузках выше номинальной, объ яснивший причины повышения статорных токов при увеличении частоты питаю щего напряжения;

– алгоритм частотного управления асинхронными тяговыми электродвигате лями с повышенным скольжением, испытывающими большие нагрузки, подтвер жденный экспериментальными исследованиями ТЭП самоходного вагона, сни зивший статорные токи на 20%;

– сформулированы условия сохранения работоспособности системы вектор ного управления при изменении параметров ЭП горно-транспортных механизмов.

Научное значение работы:

– впервые на основе экспериментальных исследований и с помощью разра ботанной программы уточненного расчета скорости доказано, что реализуемые в ПЧ алгоритмы компенсации скольжения для асинхронных тяговых электродвига телей с повышенным скольжением при нагрузках больше 1,1 МН (в зоне скольже ний от 15% до 50%) неэффективны, увеличение частоты питающего напряжения при неизменном отношении амплитуды к частоте питающего напряжения (U/f) вызывает рост статорных токов и уменьшение фактической скорости двигателей;

– выявлено, что в асинхронном тяговом электродвигателе с повышенным скольжением при нагрузках выше номинальной снижается скорость и увеличива ется ток статора из-за снижения основного магнитного потока, компенсировать которое возможно путем увеличения напряжения при постоянстве частоты, если существует запас по напряжению, либо путем снижения частоты питающего на пряжения при отсутствии запаса по напряжению;

– впервые разработан алгоритм скалярного управления асинхронным тяго вым электродвигателем с повышенным скольжением, отличающийся тем, что при увеличении нагрузки компенсируется снижение основного магнитного потока, обеспечивающее по сравнению со стандартными алгоритмами скалярного управ ления снижение статорных токов на 20–30% и увеличение фактической скорости двигателя на 5–10% за рабочий цикл за счет повышения жесткости механической характеристики.

Практическое значение работы:

– проведен комплекс испытаний тягового электропривода самоходного ваго на в условиях действующего рудника, доказавший неэффективность существую щих алгоритмов коррекции систем со скалярным управлением и целесообраз ность компенсации снижения основного магнитного потока для поддержания скорости асинхронных тяговых электродвигателей с повышенным скольжением при больших нагрузках;

– показано, что для данного типа многодвигательного электропривода при конструктивных особенностях наиболее целесообразно применять скалярное управление;

– реализованный алгоритм управления преобразователем частоты Vacon NXP 0261, компенсирующий снижение основного магнитного потока двигателя при увеличении нагрузки, позволил повысить грузоподъемность самоходного ва гона до 14–16 т с сохранением скорости при углах возвышения 10–13, что не обеспечивали стандартные алгоритмы скалярного управления, при которых пре дельная нагрузка составляла 8–9 т, в результате чего производительность вагона была увеличена практически в 2 раза;

– разработанная программа уточненного расчета скорости, базирующаяся на сигналах суммарного тока статора, амплитуды и частоты напряжения питания двигателей позволила без установки дополнительного оборудования повысить точность определения скорости передвижения самоходного вагона.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реко мендаций подтверждается корректным использованием методов описания стати ческих и динамических процессов в математических и компьютерных моделях при общепринятых допущениях, результатами внедрения и эксплуатации частот но-регулируемого ТЭП самоходного вагона.

Реализация результатов работы:

Разработанный алгоритм управления, компенсирующий снижение основного магнитного потока при нагрузке выше номинальной, реализован в ТЭП опытного образца самоходного вагона «В17К» (заводской № 3) ОАО «Копейский машино строительный завод» (г. Копейск, Челябинская область), который проходит про мышленные испытания на калийном руднике ОАО «Уралкалий» (г. Соликамск, Пермский край).

Апробация работы. Основные положения работы рассматривались и обсуж дались на международных научно-технических конференциях: «Электроэнерге тика и автоматизация в металлургии и машиностроении» (Магнитогорск, РУМЦ «Персонал», 2008), «Проблемы автоматизации и управления в технических сис темах» (Пенза, ПГУ, 2009), II Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «БУДУЩЕЕ МАШИНОСТРОЕНИЯ РОССИИ» (Москва, МГТУ им.

Н.Э. Баумана, 2009), VI международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2010» (Тула, ТулГУ, 2010), XVII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «РА ДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (Москва, МЭИ, 2011), научно-технических конференциях ЮУрГУ в 2008–2011 гг.

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты из ложены в 14 научных работах, включая 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, одна из которых вышла в отраслевом журнале «Горное оборудование и электромеханика» №4, 2011, 10 материалов научно-технических конференций и тезисов докладов. На оригинальное техническое решение получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав ос новного текста объемом 114 страниц, заключения, списка используемой литера туры из 104 наименований и 2 приложений. Общий объем диссертации составляет 148 страниц, включая 70 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, изложены основные поло жения, выносимые на защиту, указаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния тяговых электро приводов (ЭП) подземного самоходного транспорта на примере самоходных ва гонов.

В настоящее время отмечается, что эффективность отечественных проходче ско-очистных комплексов ограничивается из-за недостаточной производительно сти шахтных самоходных вагонов, которая в настоящее время ниже производи тельности комбайнов, и из-за повышенного удельного расхода электроэнергии.

Повышение производительности и энергоэффективности отечественных проход ческо-очистных комплексов и самоходных вагонов в частности можно достичь внедрением регулируемых электроприводов.

Особенностью работы ЭП самоходного вагона является недетерминирован ная нагрузка, изменяющаяся в большом диапазоне. Наличие неровностей трассы совместно с изменяющимся рельефом способствует постоянному присутствию переходных процессов в механических передачах. Следствием этого и одной из основных причин поломок элементов трансмиссий самоходных вагонов является накопление в них усталостных повреждений. Особую роль при этом играет нали чие нерегулируемого ЭП, который существенно ускоряет накопление усталост ных повреждений деталей в процессе прямого пуска электродвигателей, равно сильного ударным нагрузкам. К тому же 5–7-кратные пусковые токи сокращают ресурс тяговых электродвигателей и приводят к 10–20% просадкам питающего напряжения.

Для повышения эксплуатационных показателей надежности на Соликамском калийном рудоуправлении №2 была собрана информация о наиболее частых отка зах и неисправностях узлов и оборудования самоходных вагонов. За период с 01.01.2008 по 31.12.2008 в эксплуатации находилось 20 самоходных вагонов. По причине ступенчатого регулирования скорости в среднем у одного отечественно го самоходного вагона выходит из строя почти 15 частей тягового привода в год, причем замена большинства из них (ступицы на коническом редукторе, первой и второй шестерней углового редуктора и др.) вызывает длительные простои из-за объемных ремонтных работ. Установлено, что основными видами поломок тяго вых электродвигателей являются пробой обмоток и распайка бандажей, возни кающих в результате повышенного нагрева. Это свидетельствует о токовых пере грузках тяговых двигателей.

Выявлены основные проблемы внедрения частотно-регулируемых ЭП гор ных машин. Для самоходного вагона эти проблемы заключаются в обеспечении трех скоростей передвижения при больших уклонах и загрузке. При этом необхо димо обеспечить плавный пуск и повысить надежность работы (увеличить ре монтные сроки). Конструкция вагона была определена, т.е. тяговый ЭП должен был строиться на базе специально разработанных мотор-колес (асинхронный дви гатель АИУЕ225М с повышенным скольжением сагрегатированный с двухсту пенчатым планетарным редуктором), на которые не возможно установить датчики скорости по условиям взрывобезопасности и конструкции вагона. Так же необхо димо было учитывать ограниченные габариты станции управления, не позволяю щие установить четыре ПЧ, и ограниченную мощность источника энергоснабже ния, где наблюдаются 10% падения напряжения на питающем кабеле ограничен ного сечения. В связи с этим было принято решение интегрировать в электроме ханическую систему только ПЧ, что позволило сохранить конструкцию ходовой части самоходного вагона без изменений.

ОАО «Копейский машиностроительный завод» в 2007–2011 гг. проводит ра боты по оснащению вновь создаваемого пневмоколесного вагона В17К частотно регулируемым тяговым электроприводом. В связи с тем, что известные преобра зователи частоты не предназначены для горно-шахтных механизмов, и из-за от сутствия информации о реальных нагрузках и параметрах питающей сети необхо димо проведение подробных исследований условий их работы с последующей разработкой алгоритма управления для работы в этих условиях.

Во второй главе проведен тяговый расчет, учитывающий условия эксплуа тации подземного самоходного транспорта и представлены результаты внедрения частотного регулирования на вагон В17К. На основе теоретических и экспери ментальных исследований были разработаны основные требования к ТЭП само ходного вагона.

Силловой прееобразоваатель долж располагаться во взры жен я ывозащищщенной об бо лочке огграниченнных габарритов, в с связи с че по тех ем хнико-эко ономическим прич чи нам было принято решени в польз многод о ие зу двигатель ьной схем ТЭП с варианто мы ом питания 4-х двиг гателей, с специальн разраб но ботанных для самоходного вагона, от о одного П Из-за тяжелых условий работы и отсутс ПЧ. а х й ы ствия кон нтроля загрузки, ддля выбора П коэффициент, обеспеч ПЧ, чивающий запас п токово нагруз й по ой зке, прин нят равным 2 от номинально тока а 2,1 ого асинхрон нного двиигателя (А и с уч АД) четом тогго, чтобы пр реобразовватель до опускал 22,5-кратны перег ые грузки в ттечение более 45 с.

б Исходя и габари из итных и ц ценовых показателей, а та же удо ак обства экксплуатации был выб бран ПЧ NNXP 0208 6 финск фирм Vacon. Многодв 8 кой мы. вигательн схема и ная а мягкая ммеханичесская хараактеристи тяговы двигат ика ых телей (кр ритическо скольж ое же ние составляет 60 дают возможн 0%) ность полуучить так называем «электрический к мый диффере енциал», т разли т.е. ичные скоорости коолес при прохожд дении заккруглений и й при нераавномерно нагруз из-за н ой зке неровност трассы.

тей Эксперимент тальные иисследоваания тяго ового элекктроприво самох ода ходного в ва гона прооводились на СКРУ ОАО «Уралка ь У-2 О алий» (г. Соликаммск). На рис. 1 пре р ед ставлены результаты проведенных испытани ТЭП с ы ий самоходно вагон в услов ого на ви ях дейсттвующего рудника с ПЧ со стандар о а о ртными ннастройкаами (хараактеристиика U/f – лин нейная).

Рис. 1. И Изменение нагрузки в широких пределах х:

U (Motor V Voltage) – н напряжени двигателей, В;

I (Motor Curren – суммар ие nt) рный полный ток дви и гателей, А М (Motor Torque) – суммарны момент двигателей %;

n (Mot Speed) – расчетная А;

r ый д й, tor я скорость д двигателей об/мин;

f (Output fre й, equency) – частота на выходе преобразоват ч теля, Гц Нео обходимо отметить что при испытан ь, и ниях без П измер ПЧ рений ток не пров ка во дилось, а проведе енные исспытания показали что пр движен вагон с макс и, ри нии на си мальной нагрузко (15–17 и угла ой 7т) ами возвыышения ттрасс 12–14, токи достигаю и ют 2–2,5 ном минально тока. При этом и на пер ого м рвой и на второй с а скорости результат ты работы ТТЭП удов влетвориттельны, а на третей нет. При й именяемы ПЧ фи ые ирмы Vaccon позволяю реализ ют зовывать два режи управ има вления: « «управлен частот питан ние ты ния двигател и «упр ля» равление скорость двигат ью теля». В п преобразо ователе рассчитыв р ва ется до 1 контро 10 олируемы параме ых етров раб боты ЭП, но в ходе экспери иментов уус тановлен что достоверны но, ыми явля яются: су уммарный ток, на й апряжение и часто е ота питания двигателей.

В хо испыт оде таний обннаружено что при движени гружен о, ии ного вагон по одн на ной и той же трассе п е полный то ПЧ ув ок величиваеется с рос стом скоррости. Осциллогра ам мы сумм марного ттока в за ависимост от про ти оходимог расстояния при движении го и груженог вагона (6–7 т) н разных скоростях при ра го а на х аботе ПЧ в режиме «управл е ле ния часттотой питания двиггателя» п представлены на ри 2. Сна ис. ачала дви ижение прро исходит на уклон 7–8°, а за атем на уклон 6–7°°.

При преодол и лении перрвого укллона (учассток 0–10 м рис. 2 ЭП раб 0 2) ботает в р ре жиме ток коогранич чения, пр котором напряж ри жение сниижается до 600 В. Ток на это о Т ом участке п 50 Гц на 40% выше, че при 17 Гц и 35 Г Однак при дв при ц ем Гц. ко, вижении по второму уклону ( (15–20 м) ток на ) 10% выш а напр ше, ряжение п этом составля при яет 660 В.

Рис. 2. За ависимости токов на разных скоростях от расстоя и а о яния в реж жиме «упра авления ча ас тотой п питания дв вигателя»» При работе П в реж и ПЧ жиме «упр равления скорость двигат я ью теля» при токоогр и ра ничении напряже ение сниж жается до 645 В, а функция поддерж о я жания ско орости ув ве личивает частоту питающ т у щего напрряжения до 54 Гц, суммарный ток двигател д лей при этом – 203 А. При этих условия превыш м. ях шение тока состав вляет 23% по сравн % не нию с тооками на 17 Гц и 35 Гц (1 А). При движе 168 П ении на ттретьей скорости по с второму уклону ф функция поддерж жания скорости увеличивает частоту до 54 Г у Гц, однако, ссогласно стандарт тным наст тройкам, при росте частоты выше но е ы оминальнно го значен напря ния яжение на статоре остается неизменн а ным и раввным номминальном му значению напряж ю жения питтания двигателя (660 В). Пр движен по да ри нии анному учча стку на т третьей ск корости с суммарны ток рав 180 А а при дв ый вен А, вижении на первой и н й второй скоростях – 155 А, т.е. превы ышение составило 17%.

с о Установлено что кро того р о, оме рост стат торных тооков возн никает из- паден -за ния напряжения в пит тающем ккабеле и ииз-за работы режи токоо има ограниченния. Сигннал превыше ения тока статора одновременно во а оздейству как на канал задания а ует а з ам плитуды и частоты выходного напряжения ПЧ, так и только на канал задания ам плитуды выходного напряжения. Из-за того, что амплитуда напряжения питания АД уменьшается в большей степени, жесткость механической характеристики снижается, уменьшается основной магнитный поток и момент двигателя, вызывая опрокидывание механической характеристики асинхронного двигателя. Токи ста тора и ротора резко возрастают, вызывая перегрев двигателя и преобразователя, что в итоге приводит к аварийной ситуации.

Таким образом, главная проблема, которую необходимо решить – это огра ничение статорных токов (тока ПЧ) на номинальной скорости.

Третья глава посвящена исследованиям влияния изменения параметров АД (индуктивности намагничивания, сопротивлений статора и ротора и т.д.) на рабо ту системы векторного управления, а также возможности ее функционирования в многодвигательном ЭП самоходного вагона, который состоит из четырех двига телей параллельно питающихся от одного ПЧ.

В литературе указывается, что векторное управление является самым эффек тивным, но неработоспособным в многодвигательных приводах, а также в приво дах, где в больших пределах меняются параметры двигателя при отсутствии дат чиков скорости. Однако не указывается, что же будет с АД, параметры которого не совпадают с параметрами модели в системе векторного управления. Задача была решена с помощью математического моделирования в программной среде MATLAB приложения Simulink и исследований на лабораторном стенде.

При векторном управлении введением дополнительных компенсирующих связей пытаются линеаризовать всю структуру ЭП с выходом по потокосцепле нию или по электромагнитному моменту. При моделировании использовалась система токового управления во вращающейся системе координат, представлен ная в монографии А.А. Усольцева. В качестве управляющих сигналов приняты продольная составляющая потокосцепления ротора и угловая частота тока ротора.

Устройство управления формируется таким образом, что продольная состав ляющая потокосцепления ротора 2d будет определяться как · ·e ·e · k ·, (1) · где k – передаточная функция по продольной составляющей потокосцепления ротора · k ·e ·e ·. (2) · Угловая частота тока ротора w2 будет вычисляться следующим образом:

· w w ·e ·e · k ·w, (3) · где kw – передаточная функция по угловой частоте тока ротора · k ·e ·e ·. (4) · При точном измерении угловой частоты вращения ротора, необходимой для перехода к неподвижной системе координат, и точных параметрах АД (L*m, L*2, r*2), вводимых в систему векторного управления, эти передаточные функции kw (2) и k (4) будут равны единице.

В реезультате моделир е рования у установлено, что ммаксималь ьная точн ность треб бу ется для измерени скорос вала д ия сти двигателя Если в модели и я. используеется точн ное значение скорост то дру е ти, угие парааметры не оказывают суще ественног влияни го ия.

При уменьшении индуктив вности ко онтура наамагничив вания Lm в два раз обе пер за ре даточные функци (2) и ( по кан ии (4) налам заддания приимут вид пропорционально ого звена с к коэффици иентом уссиления 2 В этом случае ум 2. меньшило время отработ ось я тки возмуща ающего во оздействи однак появил ия, ко, лись колеебания из з-за снижеения запа аса устойчиввости. В ц целом же система у управлен удовле ния етворител льно рабоотает.

Если же скор и рость изм меряется с ошибко то в п ой, передаточчных фун нкциях по оя вившаяся частотн соста я ная авляющая приведе к наличию имп я ет пульсной составляю щей в пеереходных процесс (рис. 3). Скоро х сах ость, пост тупающая в систем управл я му ле ния, был ниже де ла ействител льной на 10%.

Рис. 3. Пе ереходные процессы в системе ПЧ-АД при 10% ош е ы е п шибке по с скорости в устройст тве управлен ния На ррис. 3 ви идно, что при вклюючении в работу р регулятор скорос система ра сти управлен входи в режи автоко нии ит им олебаний. Задание по скорости не отрабатыв е о ва ется, ош шибка сос ставляет бболее 50% Систе %. ема векто орного упправления сохраня я яет свою рабботоспосообность п менее чем 5% ошибках по скоро при е х ости вращ щения валла.

Поэтому такое уп у правление считаетс неприе е ся емлемым для мног годвигатеельного Э ЭП.

При характерных для горных меха х анизмов статическ проса с ких адках наппряжения и я перегруззках система векто орного управлени не мож обесп ия жет печить по оддержан ние скорости из-за пониженног уровня напряже и го я ения в зве посто ене оянного то ока.

Резу ультаты ммоделиро ования подтвердил испыта ли ания на ллабораторрном стен нде ATV71-L LEXIUM0 При в 05. введении заводских парамет тров двиггателя и проведении п автонасттройки, кооторая оп пределяет недостаю т ющие пар раметры д двигателя для сист я те мы векто орного уп правления и расче скорости вращ я ета щения, воззникает режим авт р то колебаний в контуре скорости, не допустимый для работы привода. Подбором па раметров, используемых в ПЧ для системы управления, с учетом реальной на грузки эти колебания исключены.

Проведено исследование математической модели многодвигательного ТЭП, составленной на базе стандартной модели векторного управления и модели АД.

Они были состыкованы с моделью четырехдвигательной нагрузки с учетом меха нических упругостей. Установлено, что в многодвигательном приводе для рабо тоспособности системы векторного управления достаточно точно измерять ско рость хотя бы одного из двигателей, которые связаны общей нагрузкой.

Таким образом, несмотря на то что, применение векторного управления в многодвигательном ЭП возможно при точном изменении скорости одного из дви гателей, этот вариант не подходит, т.к. нет датчиков скорости, и параметры двига телей изменяются в больших пределах. Поэтому исследования продолжались в рамках скалярного управления, к которому, как показали эксперименты, относят ся оба режима управления в ПЧ Vacon.

Четвертая глава посвящена исследованию причин роста тока статора при номинальной частоте питания в частотно-регулируемом электроприводе с асин хронным двигателем с повышенным скольжением.

При скалярном управлении для расчета механических характеристик при из менении частоты традиционно пользуются расчетом по Т-образной схеме заме щения АД. При сопоставлении каталожной (полученной с завода изготовителя – ОАО «НИИВЭМ», г. Кемерово) и рассчитанной по Т-образной схеме замещения механических характеристик АД АИУЕ225М для 2р=4 выявлено, что различия характеристик становятся существенными при моментах больших 280 Н·м (1,75 в относительных единицах). При 2,5-кратном моменте расчетное скольжение на 27% меньше каталожного.

Следует также отметить, что кривая намагничивания тоже не учитывает маг нитных потерь в сердечниках машины. При малых скольжениях (от 0 до 0,05) они незначительны, и их можно не учитывать. Как показывают проведенные экспери менты (глава 2), двигатель работает в зоне больших скольжений от 12 до 45 %.

Значит пренебрегать данным видом потерь некорректно.

Формула комплексной амплитуды основного магнитного потока имеет вид I j2 · · L · I, (5) ·· э где w1э – частота вращения электромагнитного поля статора;

U1m – комплексная амплитуда на пряжения питания;

f1 – частота напряжения питания;

I1m – комплексная амплитуда тока статора;

r1 – активное сопротивлеие статора;

L1 – индуктивность рассеяния статора.

Если в этой формуле принять r1=0 и L1=0, то амплитуда основного магнит ного потока будет пропорциональна отношению U1/f1. Поэтому в большинстве общепромышленных частотно-регулируемых ЭП со скалярным управлением для поддержания постоянного основного магнитного потока при изменении частоты питания АД одновременно изменяют напряжение питания.

Электродвигатель АИУЕ 225 М изначально проектировался для прямого пуска, и поэтому его номинальное скольжение равно 12%, индуктивность рассея ния статора – 3,1 мГн, активное сопротивление статора – 0,6 Ом. Поэтому второе и третье слагаемые в формуле 5 будут оказывать влияние на основной магнитный поток АД, снижая его. Это снижение пропорционально величине тока статора и увеличивается по мере увеличения нагрузки АД kI, (6) где k – коэффициент, определяемый параметрами статора АД и частотой напряжения питания.

Для дальнейшего анализа работы АД при перегрузках используется метод векторных диаграмм, при том допущении, что для рассматриваемых режимов справедлива Г- образная схема замещения двигателя. Уравнения Кирхгофа в век торной форме для статического режима работы АД имеют следующий вид U E I·r jx jx ;

(7) U jxµ Iµ ;

Iµ I I.

Из теории электрических машин известно, что электромагнитный момент на валу образуется в результате взаимодействия магнитного поля и тока, протекаю щего в обмотках статора или ротора, и может быть представлен в виде векторного произведения m ·z · · z · · · sin, (8) где m – число фаз статора;

zp – число пар полюсов двигателя;

– вектор основного магнитно го потока;

– вектор тока ротора;

– угол между векторами и.

Вектор основного магнитного потока сонаправлен с вектором тока намагничива ния Iµ, значит, угол является углом между вектором Iµ и вектором I.

На рисунке 4а представлена векторная диаграмма АД при номинальном ре жиме работы, т.е. ток статора I1 равен 25,4 А, скольжение s – 12%.

а) б) Рис. 4. Векторная диаграмма АД при номинальном режиме работы (а) и при М=1,9Мн (б) При увеличении нагрузки до 1,9Мн (рис. 4б) скольжение s, определяемое по каталожной механической характеристике, равно 24%, ток статора составляет 50 А, т.е. 2I1н, при этом учтено снижение потока через снижение тока намагничи вания. По диаграмме видно, что согласно (7) при большой нагрузке возрастает падение напряжения на активном сопротивлении статора и на индуктивных со противлениях по сравнению с векторной диаграммой для номинального режима.

Это приводит к уменьшению угла между моментообразующими векторами тока намагничивания и тока ротора в (8) до 61,6.

При движении на второй скорости, соответствующей 35 Гц, с таким же мо ментом нагрузки на тяговый привод (рис. 5а) ток статора составляет 40 А (т.к.

суммарный ток двигателей – 160 А), относительное скольжение – 26%. При сни жении частоты уменьшаются индуктивные сопротивления, поэтому угол увели чивается до 69,3. В результате для формирования того же самого момента (что и на 50 Гц) требуется меньший ток ротора. В итоге ток статора при 35 Гц снижается до 1,6I1н. Не смотря на то, что относительное скольжение увеличилось на 2%, аб солютное скольжение двигателя при частоте питания 35 Гц и моменте нагрузки 1,93Мн составило 260 об/мин, тогда как при 50 Гц – 360 об/мин. При построении векторной диаграммы для данного режима необходимо учесть, что ток намагни чивания в двигателе составит примерно 0,9Iµ. Далее на рис. 5б представлена век торная диаграмма при компенсации снижения основного магнитного потока до номинального значения. В этом случае жесткость механической характеристики возрастет, что приведет к снижению скольжения до 18% при моменте нагрузки 1,93Мн. За счет этого для данного момента снижается ток статора до 1,6I1н, по сравнению с 2I1н при сниженном потоке. При этом угол увеличивается до 72,8.

а) б) Рис. 5. Векторная диаграмма АД при М=1,9Мн и f1=35 Гц (а) и при М=1,9Мн и f1=50 Гц с компенсацией снижения основного магнитного потока (б) Отмечено, что в режиме «управление скоростью» при больших токах статора увеличиваются амплитуда и частота напряжения питания двигателей, но сущест венно возрастают токи статора. При этом фактическая скорость, как показывают замеры времени, не увеличивается.

Проведены эксперименты на вагоне с программируемой U/f характеристикой, подтверждающие теоретические предположения, т.е. компенса ция снижения основного магнитного потока двигателя при превышении нагрузки выше номинальной позволяет снизить токи статора и увеличить фактическую скорость движения вагона для данного типа асинхронных ТЭД.

Пятая глава посвящена разработке алгоритма управления двигателя, ком пенсирующего снижение основного магнитного потока при большой нагрузке на номинальной скорости двигателя.

В преобразователе частоты VACON NXP сигнал, соответствующий скорости двигателя, поддерживается с достаточно высокой точностью при любых измене ниях нагрузки. По техническим причинам скорость является недоступной прямо му измерению величиной. Однако во время экспериментов при больших нагруз ках визуально было заметно снижение скорости. Для более точной оценки была написана программа «УРС» для уточненного расчета скорости, использующая достоверные сигналы тока статора, напряжения и частоты с преобразователя. Для этого использована разработанная на кафедре ЭПА «Южно-Уральского государ ственного университета» (НИУ) программа для расчета характеристик АД z.m». В пр рограмме для зада е анных знаачений ча астоты и напряжен стато ния ора «haradkz комплекс сным ме етодом раассчитывваются соопротивле ения, ток мощн ки, ность сетти, мощност на валу и потер АД дл одной фазы на б ть у ри ля ф базе Т-об бразной схемы зам с ме щения с учетом к кривой наамагничиивания двигателя. П диагр По раммам рааботы тяг го вого приивода саммоходного вагона при изме о енении на агрузки в широки предел их лах (см. рис. 1) видно что ско о, орость подддерживаается с тоочностью до 3% пр увелич ри че нии сумммарного ттока от 32 А до 14 А (т.е. относите 2 45 ельный то статора двигате ок еля изменяет от 0,3 до 1,4). С помощ тся 3 щью прогр раммы «У УРС» для данной диаграмм я мы был прои изведен р расчет зна ачений сккорости (рис. 6). П ( Произведе енный ра асчет знач че ний уточчненной с скорости показал, что при 2,4-кратнном токе статора ошибка с со ставляет не 5%, а около т 7%.

Р Рис. 6. Уточ чненная ос сциллогра амма скоро ости для рис. Исх ходя из ре езультато исследо ов ований, было пред б дложено у устройств управл во ле ния элекктропривоодом с ал лгоритмо автома ом атической компенс й сации снижения о ос новного магнитно поток при бол ого ка льшой наагрузке (р рис. 7), ко оторый оббеспечиваает работосппособност привод в исклю ть да ючительн тяжелы услови с минимальным но ых иях ми потерями скорост Данно устройс и ти. ое ство защиищено паатентом № №2412526 на изобр 6 ре тение « «УСТРОЙ ЙСТВО ЧАСТОТ ТНОГО УПРАВ ВЛЕНИЯ АСИНХ ХРОННЫ ЫМ ЭЛЕКТР РОПРИВО ОДОМ» [15].

Про оведены и испытани вагона с алгор ия а ритмами управлен ния, реал лизующим ми указанны метод, подтвер ый, рдившие и преиму их ущество пперед ста андартными (рис. 8).

Таким оббразом, в существ вующем п преобразоователе ча астоты мо ожно обеспечить р ре жим рабо с низ оты зким сколльжением и, соотве м етственно низким током ст о, м татора. Этто го можно добитьс путем и о ся изменени характе ия еристики U/f в заввисимости от нагру и уз ки или р режима ра аботы (прринудитеельное перреключен с «тяж ние желого» режима р ра боты на «обычны ый»). На пповышеннной скор рости осущществлят переход с режима ть «управлеения скор ростью дв вигателя» на режи «упра » им авления ч частотой двигателя д я», что бы ч частота бо ольше не повышал лась, а пот будет увеличен путем регулиров ток т р ва ния U/f. Данный алгоритм был реа м ализован в существующем ПЧ, хотя он не пр я ре дусмотре станда ен артными ммакропро ограммами что под и, дтвержда акт вне ает едрения.

Внеедрение дданного аалгоритма на част а тотно-рег гулируемы тяговы электр ы ый ро привод с самоходно вагон позволило обесп ого на печить ег работоспособно го ость при у ук лонах до 12 с по о олной заггрузкой в вагона ( 4–16 т) со средним током 150 А. К Как было вы ыявлено во 2 главе при ста о е, андартных алгорит х тмах с полной загр рузкой пр ре авлял 6–7. В резу одолевае емый укл соста лон ультате п производи ительност была п ть по вышена ппрактически в 2 ра аза.

Рис. 7. Схема оптимизиров. ванного ча астотного управлени асинхро ия онным двиигателем:

АД – асин нхронный двигатель с коротко озамкнутым ротором;

ПЧ – преобразоват м тель частот ты;

ДТа и ДТс – датчики фазных т с и токов;

ФТ – функцион нальный прреобразова атель токов ФП – фун в;

нк циональны преобра ый азователь;

1, 2, 3 и 4 – сумм мирующие элементы;

А1 и А2– статическ е – кие преобразоователи;

А3 и А4 – нел 3 линейные э элементы Рис. 8. ААвтоматич ческое сни ижение ско орости при большой нагрузке:

и й U (Motor VVoltage) – напряжени двигател ие лей, В;

I (M Motor Curre – сумм ent) марный поллный ток дв ви гателей, А М (Moto Torque) – суммарны момент двигателе %;

n (M А;

or ый т ей, Motor Speed – расчетн d) ная скорость д двигателей об/мин;

f (Output fre й, equency) – частота на выходе преобразоват ч теля, Гц Прииложения к диссе я ертационнной работе. В прриложени 1 прив ии веден док ку мент о внедрении результа и атов рабо на производстве. В при оты иложении 2 привед и де на прогр рамма для уточнен я нного расч чета скор рости двиг гателя «У УРС», нап писанная на языке пр рограммиррования D Delphi.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача – повышена эксплуатационная надежность и производительность тягового электро привода самоходного вагона при перегрузках и ограниченной мощности источни ка энергоснабжения за счет снижения токов статора тягового асинхронного дви гателя стабилизацией основного магнитного потока. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют отметить следующие основные ре зультаты и сделать выводы:

1) на основе экспериментальных исследований и с помощью разработан ной программы уточненного расчета скорости доказано, что реализуемые в ПЧ алгоритмы компенсации скольжения для асинхронных тяговых электродвигате лей с повышенным скольжением при нагрузках больше 1,1МН (в зоне скольжений от 15% до 50%) неэффективны, рост частоты питающего напряжения при неиз менном отношении амплитуды к частоте питающего напряжения (U/f) вызывает рост статорных токов и уменьшение фактической скорости двигателей;

2) выявлено, что в асинхронном тяговом электродвигателе с повышенным скольжением при нагрузках выше номинальной снижается скорость и увеличива ется ток статора из-за снижения основного магнитного потока, компенсировать которое возможно путем увеличения напряжения при постоянстве частоты, если существует запас по напряжению, либо путем снижения частоты питающего на пряжения при отсутствии запаса по напряжению;

3) впервые разработан алгоритм скалярного управления асинхронным тя говым электродвигателем с повышенным скольжением, отличающийся тем, что при увеличении нагрузки компенсируется снижение основного магнитного пото ка, обеспечивающий по сравнению со стандартными алгоритмами скалярного управления снижение статорных токов на 20–30% и увеличение фактической ско рости двигателя на 5–10% за рабочий цикл за счет повышения жесткости механи ческой характеристики.

4) проведен комплекс испытаний ТЭП самоходного вагона в условиях действующего рудника, доказавших неэффективность существующих алгоритмов коррекции систем со скалярным управлением и целесообразность компенсации снижения основного магнитного потока для поддержания скорости асинхронных тяговых электродвигателей с повышенным скольжением при больших нагрузках;

5) показано, что для данного типа многодвигательного ЭП при конструк тивных особенностях наиболее целесообразно применить скалярное управление;

6) реализованный в ПЧ Vacon NXP 0261 алгоритм управления, компенси рующий снижение основного магнитного потока двигателя при увеличении на грузки, позволил повысить грузоподъемность самоходного вагона до 14–16 т с сохранением скорости передвижения при углах возвышения 10–13, что не обес печивали стандартные алгоритмы скалярного управления, при которых предель ная нагрузка составляла 8–9 т, в результате чего производительность вагона была увеличена практически в 2 раза;

7) разработанная программа уточненного расчета скорости, базирующаяся на сигналах суммарного тока статора, амплитуды и частоты напряжения питания двигателей позволила без установки дополнительного оборудования повысить точность определения скорости передвижения самоходного вагона.

Научные публикации по теме диссертации.

В журналах, рекомендованных ВАК России 1. Аникин, А.С. Внедрение частотно-регулируемого асинхронного элек тропривода на шахтный самоходный вагон В15К / А.С. Аникин // Вестник ЮУрГУ. серия «Энергетика». – 2009. – Вып. 11. – №15(148). – С. 67–71.

2. Аникин, А.С. Опыт внедрения частотно-регулируемого электропривода на базе преобразователя частоты VACON на самоходный вагон В15К / А.С. Ани кин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – Вып. 3: в 5 ч. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. – Ч. 2. – С. 220–226.

3. Мальчер, М.А. Проблемы внедрения частотного регулирования в горно добывающей отрасли / М.А. Мальчер, А.С. Аникин // Горное оборудование и электромеханика. – 2011. – №4 – С. 40–46.

Другие научные публикации 4. Регулируемый асинхронный электропривод в горных машинах. Опыт внедрения, проблемы и перспективы / В.В. Семенов, М.А. Мальчер, В.Л. Кодкин, А.С. Аникин // Доклады Международной конференции «Электроэнергетика и ав томатизация в металлургии и машиностроении». – Магнитогорск: РУМЦ «Персо нал», 2008. – С.87–92.

5. Кодкин, В.Л. Тяговый многодвигательный электропривод шахтного са моходного вагона В15К / В.Л. Кодкин, А.С. Аникин // Сборник научных трудов Второй Всероссийской научно-технической конференции «электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий». – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. – С. 36–40.

6. Кодкин, В.Л. Оптимальное управление скоростью в асинхронном элек троприводе с векторным управлением / В.Л. Кодкин, А.С. Аникин // «Наука и технологии». Тезисы докладов XXIX Российской школы, посвященной 85-летию со дня рождения академика В.П. Макеева. – Миасс: МСНТ, 2009. – С.78– 7. Аникин, А.С. Система регулирования скорости асинхронного электро двигателя для горнодобывающего оборудования / А.С. Аникин // Материалы док ладов 61-й научной конференции ЮУрГУ: секция технических наук. – Челябинск:

Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – Т.2. – С. 194–198.

8. Кодкин, В.Л. Опыт промышленных испытаний тягового электропривода с частотным управлением / В.Л. Кодкин, А.С. Аникин // Наука ЮУрГУ: материа лы докладов 61-й научной конференции ЮУрГУ: секция технических наук. – Че лябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – Т.2. – С. 198–202.

9. Аникин, А.С. Асинхронный электропривод с оптимизированной систе мой векторного управления скоростью / А.С. Аникин // Будущее машиностроения России: сборник трудов Всерос. конф. молодых ученых и специалистов. – Моск ва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. – С. 100–101.

10. Аникин, А.С. Асинхронный электропривод с оптимизированной систе мой векторного управления скоростью / А.С. Аникин // Будущее машиностроения России: сборник статей на CD-диске II Всерос. конф. молодых ученых и специа листов. – Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. – ФГУП НТЦ «Информрегистр» №0320901785.

11. Аникин, А.С. Оптимальная по быстродействию система регулирования скорости в асинхронном электроприводе с частотным управлением / А.С. Аникин // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: сб. тр. Между народной научно-технической конференции. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. – С. 16–18.

12. Аникин, А.С. Оптимальное управление скоростью в асинхронном элек троприводе с векторным управлением / А.С. Аникин // Научный поиск: материа лы II научной конференции аспирантов и докторантов ЮУрГУ, – Челябинск: Из дательский центр ЮУрГУ, 2010. – Т. 2. – С. 132–136.

13. Кодкин, В.Л. Моделирование систем частотного регулирования асин хронным электродвигателем / В.Л. Кодкин, А.С. Аникин // Наука ЮУрГУ: мате риалы 62-ой научной конференции. Секции технических наук. – Челябинск: Изда тельский центр ЮУрГУ, 2010. – Т. 3. – С. 99–103.

14. Кодкин, В.Л. Особенности частотного управления асинхронным элек троприводом с преобразователем частоты и напряжения фирмы «Schneider Electric» ATV7 / В.Л. Кодкин, В.Л. Немков, А.С. Аникин // Наука ЮУрГУ: мате риалы 62-ой научной конференции. Секции технических наук. – Челябинск: Изда тельский центр ЮУрГУ, 2010. – Т. 3. – С. 103–107.

Патент РФ 15. Пат. №2412526 Российская Федерация, МПК Н02Р 23/00. Устройство частотного управления асинхронным электроприводом / В.Л. Кодкин, А.С. Ани кин. – № 2010108563/07;

заявл. 09.03.2010;

опубл. 20.02.2011, Бюл. № 5 – 12 с.