Переменная структура и локальные алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом горных машин

На правах рукописи

ИВАНОВ Александр Сергеевич

ПЕРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА И ЛОКАЛЬНЫЕ АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ГОРНЫХ МАШИН

Специальность 05.09.03 – Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Козярук А.Е.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

профессор Ефимов А. А.

кандидат технических наук

Линник В.Б.

Ведущее предприятие: ОАО «Силовые машины», филиал «Электросила»

Защита диссертации состоится 29.09.2010 г. в 14 час 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д. 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан “27” августа 2010 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важной системной особенностью современного технологического оборудования (в т.ч. горного оборудования), является необходимость последовательного обеспечения нескольких задач управления, возникающих по мере переключения режимов его работы. Переключение режимов работы должно осуществляться при достижении определенных состояний (скорости, мощности, момента) привода и внешней среды с учетом командных сигналов с пульта управления.

Современные экскаваторы с большим объемом ковша преимущественно оснащаются регулируемыми электроприводами. Регулируемые приводы способствуют повышению надежности механизмов, обеспечению плавности пуска, способствуют экономии электроэнергии и повышению производительности экскаваторов. Однако современным частотно-регулируемым асинхронным электроприводам, создаваемым в подавляющем большинстве по системе неуправляемый выпрямитель – автономный инвертор напряжения, присущи недостатки, связанные с невозможностью реализации рекуперативных режимов, а также невысоким уровнем электромагнитной совместимости с питающей сетью, что обусловлено нелинейной нагрузкой управляемого электропривода.

Многорежимный характер работы горной машины вызывает необходимость построения таких систем управления, которые обеспечивали бы требуемые критерии оптимальности для всех режимов работы электропривода. От того, насколько успешно выполняются все локальные требования, зависит качество управляемого процесса в целом, поэтому системы с фиксированной структурой, настраевыемые по некоторому обобщенному критерию, обычно не обеспечивают каждому из режимов наилучшего качества управления.

Разработка же переменной структуры управления частотно-регулируемым приводом горных машин и локальных алгоритмов для ее эффективного функционирования ведет к повышению эксплуатационной надежности и энергоэффективности регулируемых электроприводов переменного тока.

В основу выполненных исследований легли работы Браславского И.Я., Демирчяна К.С., Дроздова В.Н., Емельянова А.П., Ефимова А.А. Жежеленко И.В., Микитченко А.Я., Пронина М.В., Рудакова В.В., Чаплыгина Е.Е., Шидловского А.К., Шрейнера Р.Т. и др.

Цель работы: разработка структуры и алгоритмов управления частотно регулируемым приводом горных машин, обеспечивающих электромагнитную совместимость привода с питающей сетью и снижения его энергопотребления за технологический цикл.

Для реализации поставленной цели были решены следующие основные задачи исследования:

• Проведен анализ и дана оценка основных типов бездатчиковых систем с учетом различных режимов работы и нагрузки.
• Разработан алгоритм управления электроприводом с учетом информации от бездатчиковой системы диагностики и адаптивного наблюдателя.
• Создан экспериментальный макет электропривода с активным выпрямителем и исследованы режимы работы конкретных типов механизмов экскаватора типа ЭКГ.
• Разработана математическая модель электропривода и отработаны алгоритмы его управления.
• Сформирована мультиструктурная система управления электроприводом на базе разработанных алгоритмов управления.

Идея работы. Эффективная работа электропривода переменного тока горных машин в каждом режиме и качества электроэнергии средствами электропривода достигается использованием мультиструктурной системы управления бездатчиковым частотно-регулируемым приводом и выпрямителем с активным передним фронтом, что обеспечивает оптимизацию режима работы по принимаемым критериям.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы методы теории обобщенной электрической машины и микропроцессорных систем управления, математического моделирования динамических процессов в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями при реализации различных алгоритмов управления в среде MatLab.

Научная новизна работы:

• Установлена нелинейная зависимость влияния закона управления частотно-регулируемым электроприводом на его быстродействие в контуре тока (момента).
• Установлена степень влияния режима работы силовых ключей активного выпрямителя с релейно-импульсной системой управления на уровень потребления активной мощности электроприводом экскаватора.

Защищаемые научные положения:

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на удовлетворительной сходимости результатов математического моделирования и экспериментальных исследований. Они подтверждаются результатами исследований других авторов.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке

• эффективных локальных алгоритмов мультиструктурной системы управления электроприводами для характерных условий горных машин
• таблицы переключений силовых ключей для релейно-импульсной системы управления активным выпрямителем.

Личный вклад автора. Разработаны алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом в режимах стабилизации момента и потребляемой мощности. Разработана математическая модель асинхронного электропривода с адаптивным наблюдателем основных координат электропривода. Создан и исследован макетный образец с активным выпрямителем.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2004, 2006, 2007 и 2008  гг. в СПГГИ (ТУ); политехническом симпозиуме: «Молодые ученые промышленности Северо-западного региона» в 2006 и 2007 г; в ДВГТУ на восьмом международном форуме студентов, аспирантов и молодых ученых в 2008 г; на международной Фрайбергской горной конференции Berg-und Huttenmannischer Tag 2008 и 2009 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в том числе в 4 научных изданиях, включенных в «Перечень ВАК…».

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 182 страницах, содержит 19 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 61 наименования и 1 приложения.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 1 приведена характеристика научно-технической задачи совершенствования алгоритмов управления регулируемыми электроприводами, рассматриваются основные типы систем управления электроприводами с резкопеременной динамической нагрузкой.

В главе 2 произведен анализ существующих традиционных технических средств и решений, направленных на повышение качества электроэнергии сетей горнодобывающих предприятий и проблемы электромагнитной совместимости частотно-регулируемых электроприводов с питающей сетью.

В главе 3 приведены результаты математического моделирования частотно-регулируемого электропривода с активным выпрямителем.

В главе 4 приведены описание макета электропривода с активным выпрямителем, результаты экспериментальных исследований, исследованы особенности использования активного выпрямителя в электроприводе горных машин.

В главе 5 рассматриваются возможности адаптивного наблюдателя основных координат для диагностики состояния электропривода в процессе его работы.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ научные ПОЛОЖЕНИЯ

1. Для оптимизации режимов работы электропривода горных машин по выбранному критерию (быстродействие, стабилизация скорости, мощности, ограничение тока или момента) в каждом режиме работы машины или механизма, следует использовать переменную структуру системы регулирования с реализацией локальных алгоритмов обеспечения эффективной работы электропривода в двигательном и тормозном режимах и электромагнитной совместимости в части качества электрической энергии.

Широкий спектр современных горных машин, работающих в режимах нелинейной нагрузки, преимущественно оснащаются регулируемыми электроприводами главных технологических механизмов. Регулируемые приводы обеспечивают плавность пуска и повышают производительность горной машины.

Важной системной особенностью современного технологического оборудования является необходимость последовательного обеспечения нескольких задач управления, возникающих по мере изменения режимов его работы. Многорежимный характер работы горных машин вызывает необходимость построения таких систем управления, которые обеспечивали бы требуемые критерии оптимальности для всех режимов работы электропривода. От того, насколько успешно выполняются все локальные требования, зависит качество управляемого процесса в целом, поэтому системы с фиксированной структурой, настраевыемые по некоторому обобщенному критерию, обычно не обеспечивают каждому из режимов наилучшего качества управления и, следовательно, не обеспечивают заданных свойств технологического процесса.

Мультиструктурной системой называется САУ, структура которой качественно изменяется с изменением частных целей управления. Общий вид мультиструктурной системы управления (МСУ) представлен на рис.1.

МСУ можно рассматривать как систему с конечным числом дискретных режимов r1, r2, … rn, в каждом из которых к процессу управления предъявляются конкретные требования. Переключение режимов осуществляется по текущей информации о состоянии объекта х и внешней среды µ, командами на переключение rc, что аналитически можно выразить в виде алгоритма переключения структуры:

r=r(x, µ, rc), (1)

где r – символьная переменная, принимающая значения из области ={ r1, r2, …, rs, … rn}; r – оператор квантования, который сигналам x, µ, rc ставит в соответствие значение символа r .

Так как каждому состоянию САУ ставится в соответствие локальный регулятор, то многорежимная система должна содержать группу многоконтурных локальных регуляторов Рs, каждый из которых реализует собственный алгоритм управления.

Рs:u = us (x, x*, µ) (2)

Применение МСУ оказывается оправданным в тех случаях, когда для горной машины характерным является следующее:

• интенсивный повторно-кратковременный режим работы;
• влияние на характер нагрузки внешних факторов, возникающих из-за неопределенности внешних условий эксплуатации горной машины
• ограниченный источник мощности в питающей сети.

Наиболее полно все перечисленные требования предъявляются к электроприводам главных механизмов одноковшовых карьерных экскаваторов.

На основании вышеперечисленных характерных особенностей функционирования объекта управления были сформулированы требование для локальных регуляторов (ЛР) МСУ:

• для эффективной работы МСУ необходимо минимум два ЛР, обеспечивающих как максимальное быстродействие электродвигателя в контуре тока при резкопеременной нагрузке, так и регулирование потребляемой из сети энергии.
• ЛР, обеспечивающий быстродействие может быть реализован как с помощью двух независимых локальных регуляторов скорости и момента, так и совмещеным.
• Вторым локальным регулятором в этом случае будет локальный регулятор мощности, расположенный на стороне управляемого выпрямителя.

Функциональная схема МСУ привода экскаватора представлена на рис.2.

На рис.2. обозначены: Uac, Ubc, Ucc – фазные напряжения питающей сети, БД1,2 – блоки датчиков сетевого тока и напряжения и тока и напряжения инвертора, Наблюдатель 1,2 – вычисляют значения потребляемой из сети активной мощности и момент, частоту вращения и поток двигателя соответственно, S1-S6 (АВ) – положение в пространстве вектора напряжения питающей сети, S1-S6 (Д) - положение в пространстве вектора потокосцепления статора двигателя, БРАВ, БРАД – блоки регуляторов активного выпрямителя и двигателя, ТПАВ, ТПД – таблицы переключений ключей активного выпрямителя и инвертора,U0 – U7 – комбинации управляющих сигналов для ключей транзисторного моста, ЗПТ – звено постоянного тока преобразователя частоты, Сф – емкостной фильтр, АД – асинхронный двигатель, К – коммутатор, ЛРМ – локальный регулятор мощности, ЛРАД – локальный регулятор скорости и момента двигателя.

ЛРМ обеспечивает регулирование потребляемой электроприводом мощности в заданных пределах за счет работы входящего в него регулятора мощности (РМ), который, в зависимости от режима работы электропривода, по сигналу с коммутатора (Kt) или передает сигнал задания мощности Pзад на сумматор неизменным или регулирует его, что выражается в плавном нарастании значения заданной мощности вместо его скачкообразного изменения.

Коммутатор подает сигнал Kt на регулирование мощности, если выполняются два условия:

• Частота вращения ротора двигателя за интервал дискретности ДБП коммутатора изменяется больше, чем на уставку реле Р1;
• Момент на валу двигателя меньше либо равен номинальному.

Функциональная схема коммутатора представлена на рис.3., где: ДБП –блок памяти, С – сумматор, Р1, Р2 – релейные элементы, & - логический элемент «И».

На коммутатор от наблюдателя приходит информация о значениях частоты вращения и моменте M на валу в каждый дискретный момент времени ti. ДБТ сохраняет предыдущее значение частоты вращения i-1 и, если разница значений в текущий момент времени и на предыдущем шаге счета больше, чем заранее заданная уставка реле Р1, то на первый вход логического элемента «И» поступает единичный сигнал. Реле Р2 представляет собой нормально-замкнутое реле с уставкой ±Мн (номинальный момент двигателя). Соответственно, на второй вход логического элемента «И» единичный сигнал приходит до тех пор, пока MiMн и двигатель находится в зоне «малых моментов» и значит оба условия включения РМ соблюдаются.

Для выбора ЛР для АД (ЛРАД) было проведено имитационное моделирование в системе Matlab7.10/Simulink электропривода подъема экскаватора ЭКГ-35К мощностью 200кВт, где сравнивались векторный алгоритм управления (ВУ) и алгоритм прямого управления моментом (ПУМ).

Результаты имитационного моделирования представлены кривыми изменения частоты вращения (рис.4.) и механического момента (рис.5.) в приводе с ВУ (а) и ПУМ (б).

Моделирование проводилось 16 секунд, за первую секунду происходило плавное нарастание нагрузки до 1000 Н*м, на 2 секунде скачкообразный наброс на 500 Н*м, на 11 секунде снижение на 500 Н*м. Задание по скорости с первой по шестую секунду з =989 об/мин (номинальная скорость двигателя), с шестой по девятую секунды з =0 об/мин, с девятой до пятнадцатой секунды - реверс (з =-989 об/мин) с последующим выходом в ноль. Подобное задание соответствует тахограмам работы привода подъема экскаватора за один период.

Для подтверждения адекватности имитационных моделей реальным электроприводам был создан физический макет электропривода экскаватора с двигателем мощностью 0.75 кВт (рис.6.). Основные результаты сравнения физической и имитационной модели с параметрами двигателя макетной установки приведены в табл. 1. Данные, полученные на физической модели, совпадают с соответствующими значениями для имитационной модели в пределах 93%, соответственно имитационная модель в достаточной степени отражает физические процессы, проходящие в реальных электроприводах.

Таблица 1

Результаты сравнения физической и имитационной модели

Сопоставляемый параметр	Физическая модель	Имитационная модель
Время разгона до номинальной частоты вращения	1,2 с	1,22 с
Выход на новое значение момента при отработке «скачка» момента сопротивления 0,2 от номинального	0,3 с	0,28 с
Среднее действующее значение тока статора при номинальной нагрузке	2,08 А	1,93 А