Система управления многодвигательным асинхронным электроприводом с частотным регулированием самоходного вагона

Актуальность работы. В подавляющем большинстве механизмов горношахтного оборудования применяется либо нерегулируемый электропривод (ЭП) на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АДКзР), либо ЭП со ступенчатым регулированием скорости, путем переключения числа пар полюсов АДКзР. Одним из примеров таких механизмов является самоходный пневмоколесный вагон, осуществляющий доставку горной массы из забоев до магистральных конвейеров. Из-за низкого диапазона регулирования зачастую приходится выбирать между максимальной скоростью для уменьшения времени доставки и минимальной скоростью для комфортного маневрирования и безопасной эксплуатации. Повышенный удельный расход электроэнергии и низкая производительность вагонов (в настоящее время ниже производительности проходческо-очистных комбайнов) ограничивают в целом эффективность отечественных горно-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 неотъемлемым требованием всех технологических процессов.

Условия эксплуатации тяговых электроприводов (ТЭП) горно-шахтного оборудования имеют специфические особенности, главным образом связанные с ограниченной 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 частотно-регулируемых ЭП горных механизмов. Существенный вклад в развитие этого направления внесли A.A. Булгаков, Г. И. Бабокин, П. Д. Гаврилов, В. А. Дартау, Е. К. Ещин, А. Е. Козярук, В. И. Ключев, В. А. Мищенко, A.C. Сандлер, A.C. Сарваров, A.A. Усольцев, В. А. Шубенко и др. Однако в их трудах подробно исследуется работа электропривода при номинальной нагрузке и мало внимания уделяется характерным для горных механизмов режимам перегрузки.

Более эффективно процесс внедрения происходит, когда заменяют всю систему ЭП (в большинстве случаев такое бывает, когда меняется род тока у электродвигателей). 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 исполнения или индивидуальной разработки), то их сохранение является обязательным условием модернизации.

Большинство технологического оборудования шахт и рудников проектировалось 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 нерегулируемых ЭП, как правило, не осуществляется.

Внедрение ТЭП самоходного пневмоколесного вагона с частотным регулированием для повышения его эксплуатационной надежности и производительности 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 № 10 224) и удостоена диплома Законодательного собрания Челябинской области в номинации «Лучший научно-исследовательский проект».

Цель работы — повышение эксплуатационной надежности и производительности тягового электропривода самоходного вагона при перегрузках и ограниченной мощности источника энергоснабжения.

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

— установлены особенности основных режимов работы тягового электропривода 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 ограниченной 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. Экспериментальные исследования проводились на опытном образце самоходного пневмоколесного вагона «ВПК» в условиях действующего рудника и на лабораторном стенде АТУ71-ЬЕХШМ05.

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, объяснивший причины повышения статорных токов при увеличении частоты питающего напряжения;

— алгоритм частотного управления асинхронными тяговыми электродвигателями с повышенным скольжением, испытывающими большие нагрузки, подтвержденный экспериментальными исследованиями ТЭП самоходного вагона, снизивший статорные токи на 20%;

— сформулированы условия сохранения работоспособности системы векторного управления при изменении параметров ЭП горно-транспортных механизмов.

Научное значение работы:

— впервые на основе экспериментальных исследований и с помощью разработанной программы уточненного расчета скорости доказано, что реализуемые в ПЧ алгоритмы компенсации скольжения для асинхронных тяговых электродвигателей с повышенным скольжением при нагрузках больше 1,1 Мн (в зоне скольжений от 15% до 50%) неэффективны, увеличение частоты питающего напряжения при неизменном отношении амплитуды к частоте питающего напряжения (11/1) 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 увеличивается 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 напряжения при отсутствии запаса по напряжению;

— впервые разработан алгоритм скалярного управления асинхронным тяговым электродвигателем с повышенным скольжением, отличающийся тем, что при увеличении нагрузки компенсируется снижение основного магнитного потока, обеспечивающее по сравнению со стандартными алгоритмами скалярного управления 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 вагона в условиях действующего рудника, доказавший 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;

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

— реализованный алгоритм управления преобразователем частоты Уасоп №СР 0261, компенсирующий снижение основного магнитного потока двигателя при увеличении нагрузки, позволил повысить грузоподъемность самоходного вагона до 14−16 т с сохранением скорости при углах возвышения 10−13°, что не обеспечивали стандартные алгоритмы скалярного управления, при которых предельная 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 рекомендаций подтверждается корректным использованием методов описания статических и динамических процессов в математических и компьютерных моделях при общепринятых допущениях, результатами внедрения и эксплуатации частотно-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 «ВПК» (заводской № 3) ОАО «Копейский машиностроительный завод» (г. Копейск, Челябинская область), который проходит промышленные испытания на калийном руднике ОАО «Уралкалий» (г. Соликамск, Пермский край).

Апробация работы. Основные положения работы рассматривались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении» (Магнитогорск, РУМЦ «Персонал», 2008), «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (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 «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (Москва, МЭИ, 2011), научно-технических конференциях ЮУрГУ в 2008;2011 гг.

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты изложены 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 основного текста объемом 119 страниц, заключения, списка используемой литературы из 104 наименований и 2 приложений. Общий объем диссертации составляет 152 страницы, включая 76 рисунков и 6 таблиц.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

1) Написанная программа на ЭВМ, использующая номинальные параметры двигателя и только действительные сигналы тока статора, напряжения и частоты на выходе преобразователя, позволяет без дополнительных датчиков более точно оценивать скорость вращения вала двигателя по сравнению с сигналом скорости, доступном в ПЧ ЫХР фирмы Уасоп.

2) Анализ характеристик асинхронного двигателя показывает, что предложенный алгоритм работы привода при токоограничении, в котором обеспечивается постоянство магнитного потока двигателя, позволяет одновременно уменьшить вероятность аварийного отключения ПЧ и возникновения простоев и аварийных ситуаций при добыче руды.

3) Впервые предложенный алгоритм управления двигателем при нагрузках выше номинальных с разрывом связи между напряжением и частотой (пат. № 2 412 526) позволяет снизить провалы скорости до 57%, уменьшить скольжение двигателя в 1,5−2 раза. При этом снижаются потери в двигателе.

4) Экспериментально доказано, что использование данного алгоритма в ПЧ ЫХР фирмы Уасоп путем автоматического снижения задания скорости при превышении тока статора 21н дало возможность повысить производительность самоходного вагона практически в 2 раза по сравнению со стандартными алгоритмами настройки ПЧ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1) на основе экспериментальных исследований и с помощью разработанной программы уточненного расчета скорости доказано, что реализуемые в ПЧ алгоритмы компенсации скольжения для асинхронных тяговых электродвигателей с повышенным скольжением при нагрузках больше 1,1 Мн (в зоне высоких скольжений от 15% до 50%) не эффективны, рост частоты питающего напряжения при сохранении отношения амплитуды к частоте питающего напряжения (1М) или основного магнитного потока 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 увеличивается 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 напряжения при отсутствии запаса по напряжению;

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

4) проведены полноценные испытания тягового электропривода изделия вагон в условиях действующего рудника, доказавшие неэффективность существующих алгоритмов коррекции систем со скалярным управлением и целесообразность увеличения основного магнитного потока для поддержания скорости асинхронных тяговых электродвигателей с повышенным скольжением при больших нагрузках;

5) показано, что для данного типа многодвигательного электропривода при конструктивных особенностях наиболее целесообразно применить скалярное управление;

6) реализованный алгоритм управления преобразователем частоты Уасоп №СР 0261, компенсирующий снижение основного магнитного потока двигателя при увеличении нагрузки, позволил повысить грузоподъемность самоходного вагона до 14−16тонн с сохранением скорости при углах возвышения 10−13°, что не позволяли стандартные алгоритмы скалярного управления, при которых предельная нагрузка составляла 8−9тонн, в результате чего производительность вагона была увеличена практически в 2 раза;

7) разработанная программа уточненного расчета скорости, использующая наиболее достоверные сигналы с преобразователя частоты (суммарный ток статора, амплитуду и частоту напряжения питания двигателей), позволила без установки дополнительного оборудования более точно определять скорость передвижения самоходного вагона.