Разработка способа эффективного частотного управления асинхронным электроприводом машин, работающих с резкопеременной нагрузкой

Актуальность работы. Применяемый на практике в подавляющем большинстве горно-транспортных машин (ГТМ) серийный нерегулируемый электропривод (ЭП) не может обеспечить значительное повышение производительности машин и удовлетворить основные требования, вытекающие из комплексной механизации и автоматизации технологических процессов. Это повышает энергоемкость, ресурсоемкость, фондоемкость технологического процесса и себестоимость продукции и снижает производительность до настоящего времени, к сожалению, в подавляющем большинстве технологических процессов.

Сложные условия работы ГТМ, особенно забойных (резкие стохастические изменения нагрузки, большие колебания грузопотока, тяговых усилий и скоростей движения), требуют не только регулирования скорости рабочего органа, но и, что очень важно, формирования нагрузок, усилий и ускорений в электромеханической системе, существенно влияющих на повышение надежности работы и долговечности машины в целом и увеличение ее производительности.

Пульсации нагрузки и стопорения исполнительного органа забойных машин вплоть до опрокидывания двигателя и частые неуправляемые пуски являются основной причиной преждевременного выхода из строя забойных машин и их электропривода.

Формирование нагрузок в электроприводе горных машин зависит от характера и интенсивности режимов нагружения последних, структуры горных машин и изменяется в широких пределах. Исследования [81, 85, 99, 107 — 110, 120, 123, 125, 126, 133, 134, 136, 137], проведенные в этой области с целью выявления фактических режимов работы горных машин, а также формирования нагрузок на исполнительных органах, показывают, что главной особенностью горных машин является невозможность работать в статических режимах. Общим для данных машин (скребковые и ленточные конвейеры, проходческие и добычные комбайны, экскаваторы, буровые станки и т. д.) является стохастичность нагрузки. Снятые в процессе исследования осциллограммы потребляемой мощности для электроприводов исполнительных органов показывают, что дисперсии потребляемой мощности сосредоточены в диапазоне частот 0,1-К 0 Гц. При этом периодические колебания мощности проявляются в основном на частотах от 0,1-КЗ Гц до 4-К2 Гц в зависимости от вида горной машины и ее электропривода. Наличие упругого тягового органа и нелинейный характер сил трения в опорах, между движущейся и неподвижной частями, например, для скребкового конвейера, струговой установки, привода тяги драглайна, обуславливает в определенных режимах появление автоколебаний, которые приводят к снижению в 2+3 раза долговечности тяговых цепей, а также электродвигателей и редукторов из-за накопления в них усталостных повреждений. Это приводит к необходимости ограничения длины тяговых органов и длины добычных забоев.

Случайный резкопеременный характер нагрузки приводит к низкой надежности изоляции обмотки статора асинхронного двигателя (АД), особенно в случае обмоток с мягкими секциями [35, 81, 85, 99, 100, 120, 123, 133, 134, 136, 137]. Вибрация проводников снижает механическую прочность их изоляции, особенно на лобовых частях в месте выхода проводника из паза, при этом влага, угольная пыль и другие вредные компоненты, содержащиеся в окружающем пространстве, попадая на изоляцию, снижают ее сопротивление.

На основании выше изложенного в [37] получен вывод, что главную роль в определении срока службы машины, узла, элемента играет величина отклонения (амплитуды) возмущающего воздействия, т.к. в случайных процессах величиной, характеризующей отклонение возмущающего воздействия от математического ожидания, является дисперсия возмущения, то критерием качества управления ЭМС следует брать минимум дисперсии какого-то параметра.

Из выше перечисленного следует, что для повышения надежности машин, работающих с переменной нагрузкой и производительностью, необходимо оптимально сочетать два направления: изменение (усиление) конструкции и установленной мощности машин [116, 118], использование электроприводов, управляемых с помощью законов, обеспечивающих оптимизацию не только режимов работы ЭМС, но и показателей эффективности технологических процессов [36, 37, 113 — 115, 130].

Существенный вклад в исследование динамических процессов в механических частях приводов ГТМ внесли ученые: Б. Л. Герике, П.Д. Гаври-лов, И. И. Губанова, А. В. Докукин, А. Н. Коршунов, Ю. Д. Красников, А. Б. Логов, Н. Р. Масленников, В. И. Нестеров, Г. И. Перминов, Я. Г. Пановко, В. И. Солод, Г. И. Солод, М. С. Сафохин, С. Г. Филимонов, З. Я. Хургин, Л.И. Чугре-ев.

Неудовлетворительные режимы вызывают, кроме перечисленных выше недостатков, повышение энергоемкости и, следовательно, увеличение мощностей и габаритов электродвигателей, трансформаторов, сечений жил кабелей и необоснованное повышение напряжения сети. Это недопустимо, так как резко снижает эффективность технологических процессов. Стремление обеспечить удовлетворительную надежность работы элементов ЭП горных машин приводит на практике к недоиспользованию их по мощности. Уровень загрузки АД в рабочих режимах находится в пределах 4СН-80% [35, 99, 100, 122, 131, 132, 135].

Решение этих проблем возможно только с применением частотно управляемого ЭП. Существенный вклад в его развитие внесли ученые: А.А., Булгаков, В. Н. Бродовский, И. Я. Браславский, П. Д. Гаврилов, Р.Х. Гафиятул-лин, В. А. Грасс, Л. Х. Дацковский, В. А. Дартау, А. Д. Динкель, Е. К. Ещин, Г. И. Ивонин, В. Л. Иванов, Г. М. Иванов, А. Е. Козярук, В. И. Ключев, В. А. Мищенко, Г. Б. Онищенко, В. В. Рудаков, А. С. Сандлер, А. С. Сарваров, B.C. Тулин, В. А. Шубенко, Р. Т. Шрейнер, Ю. Г. Шакарян, В. И. Янцен.

Известно, что стабилизация электромагнитного момента АД существенно снижает амплитуды вынужденных колебаний и автоколебаний (например, в скребковом конвейере в 6−7 раз снижается динамическая составляющая колебаний деформации растяжения цепи).

Поэтому возникла актуальная необходимость выяснить возможности и эффективность известных способов частотного управления АД для стабилизации состояния электродвигателя, нагруженного резкопеременным моментом сопротивления, и позволяющих минимизировать удельные энергоемкость, ресурсоемкость и фондоемкость автоматизированного электропривода (АЭП) и технологического процесса.

Цель работы — разработка способа управления асинхронным электроприводом по системе «преобразователь частоты — асинхронный двигатель», обеспечивающего повышение эффективности машин, работающих с резкопеременной нагрузкой.

Идея работы заключается в оценке, на основании исследований, возможности и эффективности известных способов частотного управления АД для стабилизации состояния электродвигателя, нагруженного резкопеременным моментом сопротивления, и позволяющих минимизировать удельные энергоемкость, ресурсоемкость и фондоемкость АЭП и технологического процессав выборе наиболее приемлемых для модернизации с использованием современных достижений науки и техники и разработке нового способа управления.

Задачи исследований:

— провести анализ и выбрать математическую модель, наиболее полно отражающую процессы, происходящие в АД, для исследования различных способов частотного управления и последующего формирования необходимых характеристик двигателяобосновать ее адекватность по результатам моделирования АЭП с известными законами частотного управления;

— исследовать результаты моделирования АЭП с известными законами частотного управления АД, обеспечивающими формирование электромагнитного момента независимо от частоты вращения ротора;

— провести исследование известных законов частотного управления АД, обеспечивающих энергооптимальное управление электродвигателем;

— разработать алгоритмы стабилизации электромагнитного момента АД, работающего с резкопеременным моментом сопротивления и поддерживающим колебания частоты вращения ротора в заданных пределах, допустимых по условиям технологического процесса;

— разработать алгоритмы, обеспечивающие энергооптимальное управление АД, работающего с резкопеременным моментом сопротивления;

— разработать программные средства, реализующие разработанные способы частотного управления, произвести проверку полученных алгоритмов управления путем компьютерного моделирования и сравнения полученных результатов с известными.

Методы исследований. Научные и практические результаты диссертационной работы получены с использованием теории обобщенной электрической машины для анализа процессов, происходящих в АД, численного решения систем дифференциальных уравнений, синтеза систем управления на основе метода скоростного градиента, компьютерного моделирования процессов в АД на основе разработанных способов частотного управления.

Основные научные положения.

1. Моделирование АД при частотном управлении на основе системы обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений переменной структуры с учетом резкопеременного стохастического характера нагрузки является основой для изучения динамических процессов, происходящих в электроприводе горных машин.

2. Способ частотного управления, полученный на основе метода скоростного градиента, позволяет управлять электромагнитным моментом независимо от частоты вращения ротора АД, работающего с резкопеременным моментом сопротивления.

3. Использование всего одной переменной для регулирования электромагнитного момента во всех рассмотренных способах частотного управления АД позволяет применить один и тот же алгоритм регулирования частоты вращения.

Научная новизна.

1. Разработан новый способ частотного управления АД на основе метода скоростного градиента, обеспечивающий многокритериальное управление электродвигателем, работающим с резкопеременной нагрузкой.

2. Выявлена зависимость абсолютного скольжения электродвигателя от модуля тока статора, обеспечивающая поддержание заданного значения электромагнитного момента при минимальных потерях электроэнергии в АД, работающем с резкопеременной нагрузкой.

3. Разработан единый алгоритм управления, обеспечивающий регулирование механических координат электродвигателя во всех рассмотренных способах частотного управления.

Практическая ценность работысостоит в том, что ее результаты могут быть использованы в системах управления электроприводом ГТМ для:

— снижения динамических нагрузок в элементах трансмиссии;

— уменьшения динамического удара при выборе зазора в элементах трансмиссии;

— повышения надежности ЭП.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена корректным использованием известных методов математического моделирования асинхронного двигателя при частотном управлении, правомерностью принятых исходных положений и допущений, сопоставлением полученных с помощью вычислительных экспериментов результатов с теоретическими и практическими результатами в других исследованиях.

Реализация результатов. На основе разработанных в диссертационной работе способов частотного управления:

— в АО «Черниговец» приняты к использованию алгоритмы управления электромагнитным моментом при реализации технических проектов модернизации электроприводов горно-транспортных и общепромышленных установок;

— в ФГУП «Кузбасс» внедрен частотный электропривод печатной машины с использованием результатов диссертационной работы, вместо вышедшего из строя электропривода с трехфазным коллекторным асинхронным двигателем;

— результаты работы используют в учебном процессе на кафедрах для специальности! 140 604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (КузГТУ) и 180 100 «Электромеханика в горной промышленности» (СибГИУ).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на X Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» («Сибресурс 2004», г. Кемерово 2004 г.), на Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2005 г.), на ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2001;2005 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 136 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка, 5 таблиц, список литературы из 137 наименований.

4.3. Выводы по главе.

Представленный в четвертой главе анализ энергетических характеристик АД при различных способах управления позволяет сделать следующие выводы:

1. Стабилизация электромагнитного момента позволяет снизить потери в меди, пропорциональные квадрату тока, за счет значительного снижения колебаний токов статора и ротора при работе двигателя на переменный момент нагрузки по сравнению, например, с неуправляемым вариантом работы.

2. Управление электромагнитным моментом при пуске АД позволяет снизить переменные потери в 2ч-3,4 раза (соответственно полеориентирован-ное управление, управление, полученное методом скоростного градиента, и частотно-токовое управление) по сравнению с пуском АД по закону U/f=const, за счет обеспечения более низкой величины тока статора для той же величины пускового момента.

3. Частотно-токовое управление позволяет осуществить пуск двигателя за тот же временной интервал, что и другие законы частотного управления, но в наиболее энергооптимальном режиме, с точки зрения выделяющихся в двигателе потерь. Использование данного способа так же позволяет осуществить и экономичный режим работы АД с пульсирующей нагрузкой за счет регулирования потребляемого тока и соответственно магнитного потока двигателя согласно текущей нагрузке.

4. Анализ характера изменения коэффициента мощности показывает, что для способов стабилизации электромагнитного момента с неизменным значением магнитного потока (управление по закону or = к-ссг, пол сориентированное управление, управление, полученное методом скоростного градиента) коэффициент мощности изменяется практически однотипно. При работе без нагрузки при номинальном значении магнитного потока, коэффициент мощности имеет низкое значение, что соответствует завышенному потреблению двигателем реактивной мощности, а при стабилизации электромагнитного момента в ЧТУ коэффициент мощности имеет примерно одинаковое значение и при ненагруженной машине и при работе под нагрузкой.

5. АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ МОМЕНТОМ АД, РАБОТАЮЩЕГО С ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ НАГРУЗКОЙ Основным результатом анализа, проведенного в параграфах 2.5, 3.1, 3.2, является то, что перечисленные выше способы формирования электромагнитного момента аналогичны друг другу в том, что для управления моментом АД необходимо и достаточно управлять всего лишь одной переменной. Следовательно, для построения систем, обеспечивающих стабилизацию электромагнитного момента в условиях приложения на вал пульсирующей нагрузки, для всех перечисленных способов управления можно использовать одну и ту же с небольшими вариациями структуру алгоритма регулирования механических координат АД.

На рис. 5.1 представлена основная структура алгоритма управления электромагнитным моментом АД. Цель данного алгоритма заключается в том, чтобы при изменении постоянной составляющей пульсирующего момента сопротивления изменять соответственно электромагнитный момент двигателя для поддержания частоты вращения в заданных пределах, сохраняя при этом абсолютно мягкую механическую характеристику.

В качестве примера рассмотрим работу данного алгоритма при поле-ориентированном управлении.

Суть работы представленного алгоритма заключается в следующем. Отрицательная обратная связь (ООС) по скорости работает только в том случае, когда меняется постоянная составляющая пульсирующего момента сопротивления, т. е. в переходных процессах, в том числе пуск. В процессе работы ООС по скорости фиксируется величина задания электромагнитного момента (V:=U:2). Как только рассогласование по скорости Асо входит в заданные пределы колебания скорости (Асо <Асо*), ООС по скорости размыкается, и система управления поддерживает последнее зафиксированное значение задания электромагнитного момента (?4?:= У).

Uz2.

V: =игг d (or М—Мс dt J.

COr.

Рис. 5.1. Алгоритм управления электромагнитным моментом.

На рис. 5.2 показан характер изменения электромагнитного момента при работе данного алгоритма и изменении постоянной составляющей момента сопротивления. Как видно из характеристики, после небольших пульсаций в начальный период работы алгоритма, далее электромагнитный момент практически идеально стабилизирован на уровне постоянной составляющей момента сопротивления.

Ниже на рис. 5.3 — 5.7 представлены механические характеристики асинхронного двигателя при работе с пульсирующим моментом сопротивления и характер изменения относительной частоты тока статора.

300 250 о.

S 200.

150 100: 50 0.

500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 t, mc.

Рис. 5.2. Характер изменения электромагнитного момента.

Рис. 5.3. Механическая характеристика (а) и изменение частоты поля статора (б) при скалярном управлении по закону U/f=const.

160 155 15а 145 г 140 135 130 125 120.

140 150 160 170 190 190 200 210 220 М, Н*м а).

1500 t, mc.

Рис. 5.4. Механическая характеристика (а) и изменение частоты поля статора (б) при скалярном управлении по закону, а — к-аг.

3000 б).

Рис. 5.5. Механическая характеристика (а) и изменение частоты поля статора (б) при частотно-токовом управлении.

161 1GQ 159 158 157 156 ?155 S" 154 153 152 151 150 149.

17D 175 18D 185 190 195 200 205 М. и'м.

500 1 ООО 1 500 2000 25D0 3CDQ 3500 4 000 4 50D 5 000 t те а) б).

Рис. 5.6. Механическая характеристика (а) и изменение частоты поля статора (б) при полеориентированном управлении.

1Б0−159 150 157 15Б-ST.

1BQ.

Рис. 5.7. Механическая характеристика, полученная методом скоростного градиента.

Из обзорной части данной диссертационной работы, где показаны основные причины аварийности в приводе горных машин, следует, что одной из наиболее распространенных причин является работа асинхронного двигателя с пульсирующей нагрузкой. Следствием этого, как было отмечено в работах [99, 112, 120, 126, 133, 134, 136], является возникновение электродинамических усилий в лобовых частях обмотки двигателя, приводящих к разрушению изоляции, ее перегреву и проникновению влаги, что приводит к снижению срока службы не только исполнительных двигателей, но и механизмов горных машин.

С другой стороны, в механическом канале привода горных машин, например, в приводе скребкового конвейера, возникают незатухающие автоколебания [107, 111, 128, 129], сорвать которые, как показано в работах [35, 112, 113, 117, 121, 130], можно, обеспечив систему «привод-конвейер-нагрузка» источником энергии с постоянным значением усилия действующего на эту систему. Так как со стороны нагрузки этого сделать нельзя вследствие ее стохастического характера [107, 111], то остается реализовать данный источник энергии только за счет регулируемого электропривода, т. е. в данном случае стабилизировать электромагнитный момент асинхронного двигателя.

Стабилизация электромагнитного момента асинхронного двигателя при работе последнего с пульсирующим моментом сопротивления приведет, как это показано на рис. 5.3 — 5.7, к следующему изменению частоты поля статора. При набросе нагрузки происходит снижение частоты поля статора, что, в свою очередь, вызывает снижение частоты вращения ротора и, следовательно, скорости приводной звездочки конвейера, что согласуется с аналитическими выводами, полученными в работах [36, 112, 121, 130]. В процессе стабилизации момента получаем также стабилизированные токи двигателя, что приводит к снижению электродинамических усилий в лобовых частях обмотки и последующих негативных явлений [99, 112, 127].

Как видно из рис. 5.3 — 5.7, все предложенные способы обеспечивают снижение частоты вращения вала при возрастании нагрузки и наоборот, т. е. рассмотренное в данной работе управление состоянием асинхронного двигателя, входящего в состав машин, разрушающих горную породу и, следовательно, подверженных стохастическим нагрузкам, непосредственно соответствует теоретическим выводам [35, 112, 117, 121, 130] и экспериментальным данным, представленными в работе [35], где показано что «. для снижения амплитуды усилия в тяговой цепи (приводной звездочки) необходимо снизить скорость звездочки V? при набросе нагрузки. Сохранение скорости и повышение скорости невозможно», там же сказано, что «. увеличение срока службы элементов — уменьшение частоты воздействий и снижение величины пульсаций воздействий».

Таким образом, можно убедиться о соответствии полученных в данной диссертационной работе результатов поставленным выше целям, а также адекватности последних теоретическим и экспериментальным исследованиям, представленным в перечисленных работах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена задача, имеющая существенное значение для повышения эффективности эксплуатации и управления асинхронными электроприводами машин, имеющих на своем исполнительном органе резкопеременный стохастический характер нагрузки.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Рассмотренные законы частотного управления позволяют формировать заданный характер изменения электромагнитного момента АД, что, в свою очередь, позволяет осуществить благоприятный, с точки зрения системы «исполнительный механизм — асинхронный двигатель», режим работы (плавное изменение электромагнитного момента в переходных процессах).

2. Выявлена зависимость абсолютного скольжения электродвигателя от модуля тока статора. Данная зависимость позволяет обеспечить заданный ток статора для фиксированного электромагнитного момента.

3. Разработан способ управления АД с получением наибольшего электромагнитного момента при заданном токе статора, обеспечивающий не только энергооптимальность при пуске и работе электродвигателя под нагрузкой, но и значительное снижение амплитуды колебаний электромагнитного момента при пульсирующей нагрузке на исполнительном органе рабочей машины.

4. Разработан новый способ многокритериального управления АД с использованием метода скоростного градиента, обеспечивающий независимое от частоты вращения ротора управление электромагнитным моментом, а также стабилизацию магнитного потока электродвигателя в процессе работы. Конечным результатом формирования управления в данной системе управления являются мгновенные значения фазных напряжений.

5. Рассмотренные способы управления АД приведены к единому алгоритму управления заданием электромагнитного момента электродвигателя, что позволяет построить однотипные системы управления частотно-регулируемых электроприводов.

6. Разработан общий для рассмотренных законов частотного управления алгоритм поддержания частоты вращения ротора в заданных пределах с учетом обеспечения абсолютно мягкой характеристики АД.