Структура и алгоритмы управления регулируемым асинхронным электроприводом с обеспечением максимального быстродействия по контуру тока (момента) для горных машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Горбик, Владислав Сергеевич

• Горбик, Владислав Сергеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Горбик, Владислав Сергеевич

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ГЛАВНЫХ МЕХАНИЗМОВ ГОРНЫХ МАШИН

1Л Современное состояние регулируемого электропривода механизмов горных машин

1.2 Современное состояние бесконтактного асинхронного электропривода горных машин

1.3 Выводы к главе 1

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.1 Особенности моделирования и анализа структуры асинхронного электропривода

2.2 Математическое описание двухуровнего автономного инвертора напряжения

2.3 Математическое описание асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

2.4 Высокодинамичные алгоритмы управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

2.4.1 Алгоритм векторного управления

2.4.2 Алгоритм прямого управление моментом

2.5 Системы автоматического управления автономным инвертором напряжения

2.5.1 Широтно - импульсная модуляция

2.5.2 11ространственно-векторная модуляция

2.6 Выводы к главе 2

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С РАЗРЫВНЫМИ АЛГОРИТМАМИ УПРАВЛЕНИЯ

3.1 Описание лабораторной установки

3.2 Описание проведения измерений и получения осциллограмм токов в различных режимах

3.3 Описание математической модели асинхронного привода с

ЭТС алгоритмом управления

3.4 Адекватность математической модели реальному объекту

3.5 Выводы к главе 3

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ВЫСОКО ДИНАМИЧНЫМИ АЛГОРИТМАМИ УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Выбор объекта регулирования

4.2 Математическая модель асинхронного электропривода с векторным алгоритмом управления с ШИМ

4.3 Математическая модель асинхронного электропривода с ЭТС алгоритмом управления с переменной частотой переключения ключей инвертора

4.5 Сравнение высокодинамичных алгоритмов управления по результатам моделирования

4.6 Выводы к главе 4

ГЛАВА 5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ЭТС АЛГОРИТМОМ УПРАВЛЕНИЯ В СОСТАВЕ ГОРНОЙ МАШИНЫ

5 Л Описание объекта регулирования

5.2 Исходные данные для построения математической модели механизма подъема

5.3 Математическая модель механизма подъема экскаватора

5.4 Выводы к главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и алгоритмы управления регулируемым асинхронным электроприводом с обеспечением максимального быстродействия по контуру тока (момента) для горных машин»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Па сегодняшний день, па горных машинах преимущественно установлены системы электроприводов постоянного тока (генератор-двигатель (Г-Д), тиристорный преобразователь - двигатель (ТП-Д), транзисторный преобразователь-двигатель (ТрП-Д)), которые не отвечают современным требованиям по быстродействию, надежности, энергопотреблению, предъявляемым к механизмам горных машин. Основными недостатками систем электроприводов постоянного тока являются: наличие щеточно-коллекторпого узла, большие габариты и масса двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока соответствующей мощности.

Характерным для технологического процесса горных машин являются ударные нагрузки и систематические «стопорения» рабочего органа и связанных с ним элементов механизма. При «стопорениях» запасенная во всех поступательно и вращательно движущихся частях кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию упругих деформаций элементов механизма, что ведет к выходу из строя механизма, перегреву и снижению срока службы электрических двигателей. Поэтому к системахм электроприводов механизмов горных машин предъявляются жесткие требования по обеспечению статических и динамических характеристик.

Системы электроприводов переменного тока с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором лишены недостатков, присущих системам электроприводов постоянного тока. Требования по быстродействию приводят к внедрению релейно-импульсных систем с алгоритмом прямого управления моментом (БТС алгоритм). ОТС алгоритм основан на таблице переключений, входными сигналами которой являются выходные сигналы с релейных гистерезисных регуляторов, наличие которых объясняет переменную частоту переключений ключей инвертора, что ведет к увеличению коэффициента

нелинейных искажений тока, а также - к увеличению пульсаций электромагнитного момента на валу двигателя. Поэтому разработка и создание новых алгоритмов управления для релейно-импульсных систем является актуальной задачей.

Работа базируется на результатах исследований Рудакова В.В., Емельянова А.П., Ключева В.И., Микитченко А.Я., Чаплыгина Е.Е., Шрейнера Р.Т., Герман-Галкина С.Г. Парфенова Б.М., I. Takahashi, Т. Noguchi, М. Depenbrock.

Цель диссертационной работы

Обеспечение максимального быстродействия по контуру момента и улучшение энергетических показателей асинхронного электропривода за счет совершенствования алгоритмов управления асинхронным электроприводом.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Разработка математической модели регулируемого асинхронного электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления.

2. Экспериментальные исследования на лабораторном стенде. Получение кривых тока статора асинхронного двигателя, управляемого преобразователем частоты с алгоритмом прямого управления моментом (DTC). Оценка адекватности ¿математической модели реальному объекту.

3. Теоретические и экспериментальные исследования типовых режимов работы горных механизмов на разработанной математической модели.

4. Выдача рекомендаций по проектированию САУ с максимальным быстродействием по контуру тока для горных механизмов.

Методы исследований

При решении поставленных задач использованы: положения теории систем управления электроприводов, методы компьютерного моделирования (Matlab/Simulink).

Экспериментальные данные получены в лаборатории кафедры «электротехники, электроэнергетики, электромеханики» Национального минерально - сырьевого университета «Горный».

Научная новизна:

1. Показано что релейно-импульсные системы обеспечивают максимальное быстродействие по контуру тока (момента), требуемое для обеспечения высокопроизводительной работы и ограничения нагрузок механического и электрического оборудования главных механизмов горных машин;

2. Разработана усовершенствованная математическая модель регулируемого асинхронного электропривода, позволяющая анализировать энергетические характеристики электропривода и обеспечивающая выбор алгоритма САУ с максимальным быстродействием по контуру тока (момента) и требуемые показатели качества напряжения и тока электродвигателя.

Защищаемые научные положения:

1. Усовершенствованная математическая модель регулируемого асинхронного электропривода позволяет анализировать энергетические характеристики электропривода и обеспечивает выбор алгоритма САУ с максимальным быстродействием по контуру тока (момента) и обеспечением требуемых показателей качества электромагнитной и электромеханической совместимости.

2. Релейно-импульсные системы обеспечивают максимальное быстродействие по контуру тока (момента), требуемое для обеспечения

высокопроизводительной работы и ограничения нагрузок механического и электрического оборудования главных механизмов горных машин.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов, теоретических положений подтверждается математическим моделированием и экспериментальными исследованиями.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

1. Системы управления регулируемым асинхронным электроприводом, обеспечивающей максимальное быстродействие по контуру тока (момента) и удовлетворительные энергетические показатели;

2. Математической модели асинхронного электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления.

Апробация работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались на международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт - Петербург, Национальный минерально - сырьевой университет «Горный», 2012 г.), IX международной научно-технической конференции «Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии» (Омск, ОмГУПС, 2013), XIX международной научно-технической конференции «Проблемы

автоматизированного электропривода. Теория и практика» (Украина, Кременчуг, 2012г.), международной заочной научно-практической конференции (Санкт-Петербург, Институт проектного менеджмента, 2013 г.)

Личный вклад автора:

1. Исследование алгоритмов управления электроприводом для механизмов горных машин с высокими динамическими характеристиками.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование обеспечения максимального быстродействия при использовании рслейно-импульсных регуляторов.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 86 наименований, содержит 39 рисунков и 13 таблиц. Общий объем работы - 116 страниц.

ГЛАВА 1 СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ГЛАВНЫХ МЕХАНИЗМОВ ГОРНЫХ МАШИН

1.1 Современное состояние регулируемого электропривода

механизмов горных машин

Горные машины являются одним из главных звеньев в технологической цепи добычи полезных ископаемых. При добыче используются одноковшовые экскаваторы, роторные экскаваторы, буровые станки, ленточные конвейеры.

Главные рабочие механизмы горных машин, выполняющие функции разрушения и перемещения горных пород, оснащены регулируемым электроприводом и условно группируются по типам: лебедочные (подъем, напор, тяга и т.д.), опорно- поворотные (механизмы поворота), ходовые гусеничные, ходовые шагающие, вращение бурового става, конвейеры.

На сегодняшний день, на горных машинах преимущественно установлены системы электроприводов постоянного тока (генератор-двигатель (Г-Д), тиристорный преобразователь - двигатель (ТП-Д)), которые отличаются высоким энергопотреблением (0,5-0,6 кВт*ч/мЗ для систем ТП-Д, 0,9-1,1 кВт*ч/мЗ для систем Г-Д). Постоянный рост цен на энергоносители, рост энергоемких технологий, возрастающая сложность получения электроэнергии и цена на нее определяют необходимость экономии электроэнергии. Также растут требования к качеству выполнения технологических операций, повышению надежности и производительности горных машин. В связи с этим увеличивается доля систем электроприводов переменного тока с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (АДКЗР). Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет ряд преимуществ по сравнению с двигателями постоянного тока: простота конструкции, меньшие габариты и масса, повышенная надежность, отсутствие щеточно-коллекторного узла. [38]

В горной промышленности существует ряд механизмов, к электроприводам которых предъявляются высокие требования по статическим и, особенно, динамическим характеристикам. Примерами таких механизмов являются: буровые станки, главные механизмы экскаваторов, автосамосвалы. Для этих механизмов характерны следующие условия работы:

циклический характер работы в напряженном повторно-кратковременном режиме с час тыми иусками, реверсами и торможениями;

-механизмы являются многомассовыми с упругими кинематическими связями (канаты обладают наименьшей жесткостью); управляющие или возмущающие воздействия вызывают слабо затухающие колебания упруго связанных масс;

-широкий диапазон изменения и существенная несимметрия статических нагрузок относительно направления движения, обусловленные активным моментом нагрузки, взаимовлиянием приводов и случайным характером нагружения;

- наличие в рабочем цикле продолжительных этапов «удержания», в течение которых привод должен работать со скоростью, близкой к нулю, развивая па валу значительный момент;

- систематические «стопорения», которые в рабочем процессе носят случайный характер и которыми завершается процесс практически в каждом цикле;

- значительный приведенный к валу двигателя момент инерции вращающихся частей горной машины, в 5-10 (иногда более) раз превышающий суммарный момент инерции двигателей; механизм работает преимущественно в переходных режимах;

- существенные изменения суммарного момента инерции. [38,86]

На сегодняшний день, на многих предприятиях идет техническое перевооружение. Техника изношена на 70% и более, электротехнические системы горных машин не отвечают современным требованиям надежности,

энергосбережения, производительности. Наблюдается тенденция к увеличению единичной производительности горных машин за счет увеличения массогабаритных показателей, предприятия заказывают экскаваторы с большими объемами ковшей, автосамосвалы с предельной грузоподъемностью. [381

Ниже приведены основные типы применяемых систем электроприводов для горных машин.

Системы электроприводов главных механизмов

Асинхронный привод Привод постоянного тока

Система Г-Д Система ТП-Д Система ТрП-Д

Системы электроприводов постоянного тока являются устаревшими и требуют замены. Система генератор - двигатель (система Г-Д) - классический экскаваторный привод постоянного тока. Возбудитель генератора может быть выполнен как на полупроводниковых коммутаторах, так и на магнитных усилителях. Система ТП-Д — экскаваторный привод постоянного тока тиристорный преобразователь-двигатель. Система ТрП-Д - экскаваторный привод по система транзисторный преобразователь - двигатель постоянного тока. Главными недостатками систем электроприводов постоянного тока являются: наличие щеточно-коллекторного узла, большие габариты и масса двигателей постоянного тока по сравнению с асинхронными двигателями сопоставимой мощности, высоким энергопотреблением. [38,86]

Характерным для технологического процесса таких машин как карьерные экскаваторы, буровые станки, очистные и проходческие комбайны является

режим «стопорсния», когда рабочий орган горной машины сталкивается с непреодолимым препятствием. Результатом столкновения является полная остановка рабочего органа и связанных с ним узлов и деталей механизма, в том числе и электрических двигателей. Запасенная во всех поступательно и вращательно движущихся частях кинетическая энергия при быстрой остановке переходит в основном в потенциальную энергию упругих деформаций элементов механизма. Со стороны электропривода режим «стопорсния» влечет к мгновенному увеличению развиваемого движущего момента, что создает дополнительные нагрузки в элементах механизма и рабочем оборудовании, и, как следствие, могут возникать поломки механизма и выход из строя электрических двигателей. Например, при «стопорении» ковша экскаватора в подъемном канате развивается критическое усилие [35]:

$к.тах ~ (1-25 ^ 1,43) -sn_max (1.1)

где SKmax - критическое усилие, развиваемое в подъемном канате, •^п.max ~~ максимальное усилие в подъемном канате. При этом может наблюдаться выход из строя подъемного механизма экскаватора. Основным требованием к системе управления электроприводами механизмов горных машин для ограничения критических усилий является обеспечение максимального быстродействия по контуру момента.

Ведущие производители горной техники давно и успешно применяют асинхронный привод для своих разработок. Так, например, американская фирма «Bucyrus», входящая в состав корпорации «Caterpillar», применяет асинхронные приводы для всей производственной линейки экскаваторов. Бе конкурент - компания «Р&Н» применяет асинхронный привод на самом большом своем экскаваторе «4100С BOSS Shovel». Китайский производитель экскаваторной техники TYHI для своих приводов использует общепромышленные системы электроприводов «Simovert». [86]

В России также ключевым этапом развития горных машин стало применение асинхронного электропривода. Отечественными производителями

разработаны и выпущены асинхронные комплектные приводы для экскаваторов ЭКГ-32Р, ЭКГ-18, а также доведены до серийного производства асинхронные приводы для БелАЗов грузоподъемностью 136 тонн, 160 тонн и 240 тонн. В перспективе производство приводов для БелАЗов грузоподъемностью 90 тонн, 360 тонн и самого мощного 450 тонн. [38]

Наряду с применением систем электроприводов, в настоящее время в зарубежной практике открытых горных работ применяют системы гидропривода для механизмов горных машин. По сравнению с системами электроприводов, гидропривод легко воспринимает переменные нагрузки в технологическом процессе. Благодаря этому, существенным преимуществом систем гидропривода является более высокая маневренность и значительное снижение общей массы. [38,86]

Насосы и гидромоторы, рукава и уплотнения, входящие в состав гидроприводов, установленных на горных машинах, заменяются каждые три года, а гидроцилиндры - 1-2 раза за весь срок службы. При этом, более 70% отказов гидроприводов горных машин являются невосстанавливаемыми. До 40% простоев горных машин происходит из-за отказов гидропривода, которые обусловлены разгерметизацией вследствие неисправности рукавов, трубопроводов и уплотнений. Основным требованием к горным машинам, которые используются практически круглый год, является надежность. Простои, связанные с техническим обслуживанием горных машин, должны быть минимальными. [41]

Поэтому, приоритетным направлением решения вопросов обеспечения динамических характеристик для механизмов горных машин является применение асинхронного регулируемого электропривода.

1.2 Современное состояние бесконтактного асинхронного электропривода горных машин

Примером решения вопросов энергосбережения, обеспечения необходимых динамических характеристик, стала разработка компанией «ИЗ - КАРТЭКС имени П.Г. Коробкова» карьерного экскаватора ЭКГ-32Р -самого мощного экскаватора типа «прямая механическая лопата» в истории экскаваторостроения России и СССР. [38]

Электропривод экскаватора ЭКГ32Р/35К предназначен для управления электроприводами главных механизмов, реализованных по системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель, и обеспечивает:

- преобразование сигналов командоаппаратов в сигналы управления приводами главного движения;

- регулирование скорости приводов подъема, напора, поворота и хода в функции сигналов командоаппаратов путем изменения частоты переменного тока на выходе преобразователя;

- контроль токов фаз преобразователя и формирование сигнала максимальной токовой защиты;

- контроль температуры двигателей главных приводов (подшипники, статор), секций преобразователей;

- контроль состояния вспомогательных приводов;

- рекуперацию в сеть энергии торможения механизмов главных приводов экскаватора;

- управление электроприводом открывания днища ковша;

- управление электроприводом кабельного барабана;

- диагностику работы активного выпрямителя и главных приводов, а такженеисправностей оборудования.

Поминальный режим работы оборудования обеспечивается при эксплуатации его в следующих условиях:

- напряжение питающей сети 6 кВ частотой 50 Гц сеть трехфазная с изолировапой нейтралью;

- отклонение питающего напряжения в пределах +10 % от номинального;

- отклонение частоты питающего напряжения +3% от номинального;

- провалы напряжения до 30% амплитудного значения и шириной до 10 электрических градусов;

- коэффициент несинусоидальности напряжения не более 5%.

Электропривод состоит из следующих функциональных элементов:

- кресло-пульт с коммандоаппаратами и промышленным компьютером;

- активный выпрямитель состоящий из четырех секций преобразователей, конденсаторной секции и 24-х дросселей;

- электропривод подъема состоящий из четырех секций преобразователей, двух чопперных резисторов и двух двигателей подъема АДРЭ -С 850;

- электропривод поворота-хода состоящий из двух секций преобразователей, двух двигателей поворота АДРВЭ-С450 и двигателя хода АДРЭ 400;

- электропривод напора-хода состоящий из одной секции преобразователя, двигателя напора АДРЭ -С400 и двигателя хода АДРЭ 400;

- два температурных контроллера;

- преобразователь управления электроприводом открывания днища ковша;

- электропривод кабельного барабана;

- секции релейпо-контакторпой включающей в себя аппаратуру коммутации силовых и управляющих цепей;

- шкаф управления вспомогательными приводами и освещением. Электропривод обеспечивает питание, управление и защиту двигателей и

другого оборудования главных и вспомогательных механизмов карьерного экскаватора ЭКГ-32Р/35К.

Па рисунке 1.2.1 представлена функциональная схема электропривода экскаватора ЭКГ32Р/35К:

Рисунок 1.2.1 - Функциональная схема электропривода экскаватора

ЭКГ32Р/35К

На рисунке 1.2.1 обозначены:

I ...4 - Секции активного выпрямителя AR-m - ведущая секция

AR-sl.. .s3 - ведомые секции 5.. .8 - секции инвертора подъема Il-ml, II-iTi2 - ведущие секции H-sl, H-s2 - ведомые секции

9 - секция инвертора поворота S-s - ведомая секция

10 - секция инвертора поворота - хода

II - секция инвертора напора-хода (С - секция напора) ВРУ - высоковольтное распределительное устройство ДТ - датчик тока

Д11 - датчик напряжения

ПЧ - преобразователь частоты

ПЧЧ - преобразователь частоты с чоппером

R - тормозной резистор

СК - секция контакторная

МН1, МН2 - двигатели подъема

MS1, MS2 - двигатели поворота

MCI, МС2 - двигатели напора

МР1, МР2 - двигатели хода

Особенностью экскаватора ЭКГ-32Р/35К является применение электропривода переменного тока с векторным управлением, что позволило улучшить энергоэффективность экскаватора, снизить расход электроэнергии, облегчить обслуживание элементов электропривода. Согласно технического задания на проектирование электропривода переменного тока экскаватора ЭКГ-32Р, одним из ключевых требований к системе электроприводов является

точность поддержания скоростей и стопорных моментов главных приводов в пределах ±5 %, выбросы по току (по моменту) при реверсе не должны превышать 10%. Поэтому система векторного управления должна обеспечить время отработки 100% скачка по контуру момента не более чем за 20 мс. Особенностью системы векторного управления является прямая зависимость от качества регулирования, от точности выполняемых и измерительных операций. Коммутация ключей инвертора основана на среднем значении опорного сигнала, подаваемого на широтно-импульсный модулятор. Это вызывает задержки срабатывания и излишние переключения. Поэтому время реакции увеличивается до 100-200 мс. Отсюда следует, что задача обеспечения максимального быстродействия по контуру момента является актуальной как для главных механизмов экскаваторов, так и для других горных машин. [38]

1.3 Выводы к главе 1

В первой главе рассмотрен объект исследования данной диссертационной работы, а именно системы электроприводов механизмов горных машин. Основные выводы к главе заключаются в следующем:

1. Рассмотрены основные типы применяемых систем электроприводов для механизмов горных машин, особенности технологического процесса и предъявляемые 'требования по статическим и динамическим характеристикам.

2. Рассмотрены современные пути модернизации систем электроприводов для механизмов горных машин связанные с применением систем электроприводов переменного тока, а также систем гидроприводов.

3. Рассмотрена современная структура бесконтактного асинхронного электропривода

Установлено, что текущее состояние систем электроприводов механизмов горных машин не отвечает современным требованиям по надежности, энергопотреблению. Решением данных вопросов является применение современных систем электроприводов переменного тока с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором, создание высокодинамичных алгоритмов управления для которых является актуальной задачей..

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ

2Л Особенности моделировании и анализа структуры асинхронного

электропривода

Используемые методы моделирования асинхронного электропривода представляют собой совокупность методик моделирования конкретных установок, которые включают в себя методы математического описания установок, методы расчета и анализа электромагнитных и электромеханических процессов, а также способы решения задач, возникающих при моделировании, расчете и анализе систем. В частности, методики моделирования включают в себя следующие элементы [61]:

— система допущений и упрощенных представлений об объекте;

— метод моделирования электрических систем по взаимосвязанным подсистемам;

— способы разделения систем на взаимосвязанные подсистемы;

— итерационные методы решения систем алгебраических уравнений;

— методы решения дифференциальных уравнений;

— алгоритмы расчета.

При расчетах электромагнитных устройств использованы методы электрических цепей (линейных и нелинейных). При этом устройства представлены схемами замещения с сосредоточенными параметрами. Математическое моделирование ориентировано на расчет и анализ структуры асинхронного электропривода, содержащего асинхронный двигатель (АД), полупроводниковый преобразователь (ПП), систему автоматического управления двигателем, систему автоматического управления

полупроводниковым преобразователем. При математическом описании АД, II1I использован метод разделения на взаимосвязанные часги. [61 ]

Математическое описание частей выполнено аналитически. За счет этого обеспечивается экономия машинного времени при расчетах. При этом, расчет систем по частям не предусматривает введения дополнительных допущений, учитываются все взаимные связи подсистем. [36,61]

При описании ПП, используется метод моделирования систем при переменной структуре, который заключается в том, что ключевые элементы рассматриваются как идеальные ключи, которые в открытом (замкнутом) состоянии замыкают накоротко участки электрических цепей, а в закрытом (разомкнутом) состоянии разрывают их. При таком описании из электрических схем исключаются попеременно те или иные ветви, а структура системы является переменной. Каждой комбинации открытых и закрытых ключей соответствует своя система уравнений. При каждом изменении комбинации ключей осуществляется переход к решению другой системы уравнений. Достоинства такого описания систем заключаются в том, что в каждый момент времени решается система уравнений минимального порядка, сокращаются затраты машинного времени. [61]

2.2 Математическое описание двухуровнего автономного инвертора напряжения

Расчетная схема математической модели структуры «преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ - АД) представлена на рисунке 2.2.1:

га к

-1 |_ГУУХ-

1сН

>1к

0

Ик

С

ь

кг

Тх

кп к\2 кз 1с ¡(к Й (к

С ш

Гс

Рисунок 2.2.1 - Расчетная схема 1ТЧ - АД

Моделирование двухуровнего автономного инвертора напряжения (АИН) выполнено с разделением на подсхемы, взаимосвязанные зависимыми источниками напряжения игс и тока 1С (рисунок 2.2.2), при следующих допущениях: вентили (транзисторы и диоды) являются идеальными ключами; каждые два транзистора, подключенные к одной фазе нагрузки, работают в противофазе. Состояния транзисторов описываются функциями кы. В схеме, кроме параметров, указанных на рисунке 2.2.1, учтено активное сопротивление г(/, активное сопротивление гс в конденсаторе. Параллельно конденсатору включена цепь защиты от перенапряжений с активным сопротивлением г., транзистором к, и током [61 ]

Рисунок 2.2.2 - Разделение схемы ЛИН на подсхемы

При моделировании схемы на каждом шаге расчета At определяется напряжение емкости ис, и ветвь с конденсатором заменяется зависимым источником напряжения игс:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Горбик, Владислав Сергеевич, 2014 год

Список литературы

1. Андреев, В.П. Основы электропривода / В.П. Андреев, Ю.Л.Сабинин. -М.: Госэнергоиздат, 1963. 772 с.

2. Антоненков, Л. В. Оптимальная искусственная нейронная сеть для исследования асинхронного двигателя, работающего со случайной нагрузкой. Нейрокомпьютеры: разработка и применение, 2009 г., №7,- С. 15-19.

3. Бабак, А.Г. Принципы построения бездатчиковых систем управления вентильными ЭП/ А.Г. Бабак // ЭЭТ: Электрон, и электрооборудование, трансп. 2006, № 2. - С. 9-10.

4. Балакрипшан, А. Теория фильтрации Кальмана / А. Балакришнан; пер. с анг. -М.: Мир, 1988. -168 с.

5. Беляев, Д.В. Результаты внедрения регулируемых высоковольтных электроприводов переменного тока на территории СНГ / Д.В. Беляев // Труды XII научно-технической конф. "Электроприводы переменного тока". -Екатеринбург: УГТУ, 2001. С. 210 - 213.

6. Ботвинник, М.М. Асинхронизированная синхронная машина / М.М. Ботвинник. -М.: Госэнергоиздат. 1960. - 180с.

7. Браславский, И .Я. Возможности энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов // Труды XI научно-технической конф. "Электроприводы переменного тока". Екатеринбург: УГТУ, 1998. С. 102107.

8. Браславский, И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.Я. Браславский, З.И. Ишматов, В.Н. Поляков; под ред. И.Я. Браславского. М.: Изд.центр "Академия", 2004. - 256 с.

9. Браславский, И.Я., Синтез нейроконтроллера для системы ТПН-АД / И.Я. Браславский, Л.М. Зюзев, A.B. Костылев // Перспективные технологии

автоматизации: тезисы докладов международной электронной научно-технической конференции. Вологда, 1999. С. 78-79.

10. Важнов, Л.И. Переходные процессы в машинах переменного тока / Л.П. Важной. JL: Энергия. Ленипгр. отд-ие, 1986. - 256 с.

11. Важнов, А.И. Статическая устойчивость асинхронной машины с возбуждением в цепи ротора / Л.И. Важнов // Элек тромеханика. 1959. №12.

12. Важнов, Л.И. Электрические машины / А.И. Важнов. JI.: Энергия, 1968.768 с.

13. Валов, A.B. Импульсно-векторное управление асинхронным электроприводом с фазным ротором: дис. кандидата техн. наук / A.B. Валов. -Челябинск: ЮУрГУ, 2009. 166 с.

14. Валов, A.B. Импульсное управление асинхронным двигателем с фазным ротором / A.B. Валов, Ю.С. Усынин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2007. -№>8. - С. 24 - 27.

15. Горбик B.C. Моделирование и сравнение работы асинхронного электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления / B.C. Горбик, Б.А. Момот // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2014. -№1,- С. 375-380.

16. Горбик B.C. Сравнение различных схем выпрямления в составе электроприводов переменного тока / B.C. Горбик, Б.А. Момот // Естественные и технические науки. -2014. -№1. — С. 335-338.

17. Горбик B.C. Структура и алгоритмы управления регулируемым асинхронным электроприводом с обеспечением максимального быстродействия по контуру тока (момента) / B.C. Горбик // Електромехашчш i enepr036epirai04i системи.- Украина.- Кременчуг.- 2012,- С.373-374

18. Горбик B.C. Асинхронный высокодинамичный электропривод для горных машин и механизмов / B.C. Горбик // Международная заочная Научно-практическая конференция: матер, конф. - СПб.- 2013.- С. 91-94.

19. Горбик B.C. Исследование ЭМС асинхронного электропривода с DTC алгоритмом управления при питании инвертора от активного выпрямителя с питающей сетью / B.C. Горбик, Б.Л. Момот // IX международная научно-техническая конференция: матер, конф. - Омск,- 2013.-С. 332-341.

20. Дектярев, Е.Л. Наблюдатели в управлении асинхронными электродвигателями / Е.Л. Дектярев // Материалы Уральской горнопромышленной декады Энергосберегающие технологии. 2005. - С. 194195.

21. Дианов А.Н. Методика тестирования контроллеров для управления двигателями и создание стенда для автоматизированного тестирования / А.Н. Дианов // Девятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов, 2003, МЭИ, т.2, с.91 - 92.

22. Дианов А.Н. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом. Семейство «Motor Control» фирмы Analog Devices II «Электронные компоненты» №8,2002, с. 101-106.

23. Дианов А.Н. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом. Часть 2. Семейства «DashDSP» и «Mixed Signal DSP» фирмы Analog Devices II «Электронные компоненты» №1,2003, с. 69-74.

24. Дианов, А.Н. Способы определения начального положения ротора для электроприводов с синхронными двигателями / А.Н. Дианов // Десятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов, -2004, МЭИ, т.2, с. 102-103.

25. Дианов, А. Н. Разработка и исследование системы бездатчикового управления вентильным двигателем: Дис. . канд. техн. наук / А. Н. Дианов -Москва, 2004. - 200 с.

26. Дианов, А.Н. Определение начального положения ротора для приводов с синхронными машинами / А.Н. Дианов // Труды МЭИ, выпуск 679, с.66-73.

27. Жуловян, В.В. Электромеханическое преобразование энергии: Учеб. пособие / В.В. Жуловян. Новосибирск: Издательство НГТУ, 2005. - 448 с.

28. Ильинский, Н.Ф. Автоматизированный электропривод / М.Ф. Ильинский, М.Г. Юньков. М.: Энергоатомиздат. - 1986. - 448 с.

29. Исаков, A.C. Адаптивный наблюдатель состояний асинхронного двигателя в бездатчиковой системе векторного управления / Исаков A.C. -Научно-технический вестник. СпбГУ ИТМО. 2008, № 47. - С. 126-131.

30. Исаков, A.C. Реализация наблюдателя состояний асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в бездатчиковой системе векторного управления / A.C. Исаков // Научно-технический вестник СГГбГУ ИТМО. -2007. -№38.- С. 280-286

31. Карлв, Б.И. Устойчивость системы бездатчкового векторного управления АД с наблюдателем потокосцепления на основе потенциальной модели / Б.И. Карлв // Электротехнические комплексы и системы упр. 2007, № 1.-С. 19-23.

32. Кенио, Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 200 с.

33. Ключев, В.И. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: учебник для вузов / В.И. Ключев, В.М. Терехов.- М.: Энергия, 1980. 360 с.

34. Козаченко, В.Ф. Стенд для автоматизированного тестирования контроллеров МК 11.x / В.Ф. Козаченко, А.Н. Дианов, A.C. Анучин, Кайо Ю // Труды МЭИ, выпуск 678,с.33-41.

35. Козярук, А.Б. Системы управления электроприводов. Прямое управление моментом в электроприводе переменного тока / А. Е. Козярук, В. В. Рудаков - СПб.: СПГГИ(НИУ), 2007.-75 с.

36. Козярук, А.Е. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов IIA. Е. Козярук, В. В. Рудаков - СПб.: СПбЭК, 2004. - 64 с.

37. Козярук, А.Е. Прямое управление моментом в электроприводе переменного тока машин и механизмов горного производства - СПб.: СПГГИ(НИУ), 2008. - 99 с.

38. Колпаков, Л. Л. Перспективы развития электропривода / Л. Л. Колпаков // Силовая Электроника. - 2004. - №1. - с.46-48.

39. Кононенко, Е.В. Электрические машины (спец. курс). Учебное пособие для вузов / Е.В. Кононенко. УЛ.: Высшая школа, 1975. - 279 с.

40. Копылов, И.П. Математическое моделирование асинхронных машин / И.П. Копылов, Ф.А. Мамедов, В.Я. Беспалов. -М.: Энергия. 1969.-388 с.

41. Копылов, И.П. Проектирование электрических машин / И.П. Копылов. М.: Энергия, 1980.-488 с.

42. Копылов, И.П. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. Т. 1. М.: Энергоатомиздат, 1988. -456 с.

43. Копылов, И.П. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. Т. 2. М.: Энергоатомиздат, 1989. -688 с.

44. Костенко М.П. Электрические машины / М.ГГ. Костенко, JI.M. Петровский. Л.: Энергия. -1973. - 190 с.

45. Костылев, A.B. Развитие теории и разработка усовершенствованных электроприводов на основе системы тиристорный преобразователь напряжения асинхронный двигатель: дис. конд. техн. наук. / A.B. Костылев. -Екатеринбург, 2000. - 204 с.

46. Краснова, С. А. Каскадный синтез наблюдателей состояния динамических систем / С.А. Краснова, В.А. Уткин М.: Наука, 2006. - 272 с.

47. Круглов В.В., Искусственнее нейронные сети / В.В. Круглов, В.В. Борисов. М.: Горячая линия-Телеком, 2002. - 382с.

48. Кудрявцев, Ф,В. Современные преобразователи частоты в электроприводе / Ф.В. Кудрявцев, А.Н. Ладыгин // Приводная техника, 1998. -№3, —С. 21 -28.

49. Кузовков, Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства / Н.Т. Кузовков. М.: Машиностроение, 1976. - 184 с.

50. Лезпов, Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках / Б.С. Лезнов. М.: Энергопромиздат, 2006. - 359 с.

51. Масандилов, Л.Б. Опыт разработки и применения асинхронных электроприводов с тиристорными преобразователями напряжения / Л.Б. Масандилов, В.Д. Анисимов, А.О. Горнов, Г.А. Крикунчик В.В. [Москаленко // Электротехника, 2000 № 2. - С. 32 - 36.

52. Масандилов, Л.Б. Особенности квазичастотного управления асинхронного двигателя / Л.Б. Масандилов, Ю.И. Гетман. В.Л. Мелихов // Электротехника, 1994. № 5-6. - С. 16 - 20.

53. Мейстель, A.M. Электропривод и автоматизация промышленных установок 1969: "Тиристорное управление асинхронными короткозамкпутыми двигателями" / A.M. Мейстель, J1.M. Спивак. М., 1971. - 186 с.

54. Микитченко, А .Я. Получение информации о координатах асинхронного двигателя посредством датчиков Холла / А.Я. Микитченко // Электроприводы переменного тока. Труды 11-й научно-технической конференции. Екатеринбург: УГТУ. 1998. С. 196-199.

55. Онищенко, Г.Б. Электропривод турбомехаиизмов / Г.Б. Онищеико, М.Г. Юньков. М.: Энергия. - 1972. - 240 с.

56. Петров, И.И. Специальные режимы работы асинхронного электропривода / И.И. Петров, A.M. Мейстель. М.: Энергия, 1968. - 264 с.

57. Петров, Л.П. Асинхронный электропривод с тиристорными коммутаторами / Л.П. Петров, В.А. Ладензоп, М. П. Обуховский, , Р.Г. Подзолов. М.: Энергия, 1970. - 128 с.

58. Петров, Л.П. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода / Л.П. Петров, O.A. Андрющенко, В.И. Капипос, и др. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 200 с.

59. Потапенко, Е.М. Робастное управление электроприводом с вентильным двигателем / Е.М. Потапенко, Д.В., Корельский Е.В., Васильева // Радюелектрошка, шформатика, управлшпя. 2000. - №1. - С. 161-166.

60. Пронин, М. В. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями / М. В. Пронин, А. Г. Воронцов, П. П.

Калачиков, Л. II. Емельянов - СПб.: «Силовые машины» «Электросила», 2004. - 252 с.

61. Пузанов, В. 11. Теория линейных систем автоматического управления и регулирования / В.II. Пузанов // Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана. М.: 2002 г. - 120 с.

62. Самосейко, В.Ф. Система подчиненного управления асинхронным электродвигателем с наблюдателем состояний / В.Ф. Самосейко, И.В. Белоусов, Д.Л. Ногин // Изв. Вузов. Электромех. 2010, № 1. С. 54-58.

63. Сарваров, A.C. Энергосберегающий электропривод вентиляторных механизмов по системе НПЧ-АД с программным формированием напряжения / диссертация доктора техн. наук. Магнитогорск. - 2002. - 340 с.

64. Сарваров, A.C. Энергосберегающий электропривод на осное НПЧ АД с программным формированием напряжения / A.C. Сарваров. Магнитогорск: МГТУ, 2001.-206 с.

65. Сили, С. Электромеханическое преобразование энергии / С. Сили; пер. с англ. Н.Ф. Ильинского. М.: Энергия. 1968. - 376 с.

66. Сипайлов, Г.А. Электрические машины (специальный курс): Учеб. Для вузов по спец. «Электрические машины» / Г.А. Сипайлов, Е.В. Кононенко, К.А. Хорьков 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1987. - 287 с.

67. Соколов, М.М. Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов: учебник для студентов, обучающихся по специальности «Электропривод и автоматизация промышленных установок». / М.М. Соколов. М.: Энергия, 1976.-488 с.

68. Терехов, В.М. Элементы автоматизированного электропривода: Учебник для вузов / В.М. Терехов. -М.: Энергоатомиздат, 1987. - 224 с.

69. Уайт, Д.С. Электромеханическое преобразование энергии / Д.С. Уайт, Г.Х. Вудсоп; пер. с англ. Н.Ф. Ильинского и др., под ред. C.B. Страхова. М.: Энергия. 1964. - 528 с.

70. Управляющий сигнал для определения положения ротора двигателя. Signal control for motor position determination: Пат. 7466088 США, МПКП 02

71. Усатый, ДЛО. Разработка и исследование системы НПЧ-АД с программным формированием частоты вращения для механизмов вентиляторного типа / ДЛО. Усатый. -Челябинск, 2000. - 167 с.

72. Усыпин, Ю.С. Асинхронный электропривод с импульсно векторным управлением / Ю.С. Усыпин, А.В. Валов, Т.А.Козина // Электротехника, 2011, №3, С. 15-19.

73. Уткин, В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления /В.И. Уткин -М.: Наука, 1981.-368 с.

74. Уткин, В.И. Скользящие режимы и их применения в СГ1С / В.И. Уткин. -М.: Наука, 1974.-272 с.

75. Фираго, Б.И. Регулируемые электроприводы переменного тока / Б.И. Фираго, Л.Б. Павлячик. Минск.: Техноперспектива, 2006. - 363 с.

76. Фондеркин, Р.А. Разработка и исследование нейро-сетевых наблюдателей состояния в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах / Р. А. Фондеркин, Н.Е. Дерюжкова // Приводная Техника, 2009, № 6. - С. 33-39.

77. Хныков, А.В. Теория и расчет трансформаторов источников вторичного электропитания / А.В. Хныков. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 128 с.

78. Чиликин, М.Г. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / М.Г. Чиликин и др. — М.: Энергия, 1971. 624 с.

79. Чиликин, М.Г. Основы автоматизированного электропривода / М.Г. Чиликин, М.М.Соколов, В.М. Терехов, А.В Шинянский. М.: Энергия, 1974. -568 с.

80. Чиликин, М.Г. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов / М.Г. Чиликин, В.И. Ключев, А.С. Сандлер. М.: Энергия, 1979.-616 с.

81. Шеломкова, Jl.В.Система векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем с переключаемой структурой / JI.B. Шеломкова, Д.И. Алямкин. Электричесство. - 2008. - С. 30-35.

82. Шрсйнср, Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Р. Т. Шрейнер - Екатеринбург: УрО РАН, 2000. - 398 с.

83. Шубенко, В. А. Асинхронный электропривод с тиристорным управлением / В.А .Шубенко, И.Я. Браславский, Р.Т. Шрейнер.-М.: Энергия, 1967.-400 с.

84. Casadei D., Rossi С., Serra G., Tani A. A Predictive Voltage-Vector Selection Algorithm in Direct Torque Control of Induction Motor Drives. EPE-PEMC 2002 Dubrovnik & Cavtat.

85. Takahashi L. T. Noguchi. A new quick response and high efficiency strategy of induction motor. IAS, Vol. 22, N. 5, Sep./Oct. 1986, pp.820-827.

86. Wiak S., Dems M., Komeza K. Recent development of electrical drives. Technical University of Lodz, Poland, 2006.

Рисунок АЛ - Осциллограмма №1 тока статора асинхронного двигателя АИР71В4УЗ

-з

Рисунок Л.З - Осциллограмма №3 тока статора асинхронного двигателя ЛИР71В4УЗ

4,00

з.ос 2,00 1,00 0,00 1,00 ■2,00 з,ос

4,00

1 1-М

I. |А|

Рисунок Л.5 - Осциллограмма №5 тока статора асинхронного двигателя ЛИР71В4УЗ

11 НОМ 04-

Л Г л л л г

" л ,* ^ л л \

а Д И \ Г и

г п

1—Ц-|.......—йгШ4 Д —

' ■ , !, и -л/ ^ у V

л Л * д

' а;

л л А

—. ' I ' ■*

V , V ^ V V V , , ¡1 I , •

V_1_> ч ч У I

V V V V V' '»' V V V V «' V V ^ V „ V у V

II 11 №П( О г'

а "5 о :> о

-о "л

' а;

Л/Л/кии о 1 --- -

-- '■/У

- —

— | 1 !

Рисунок Ь.1 - Осциллограммы тока статора, частоты вращения ротора, электромагнитного момента в асинхронном электроприводе механизма подъема в режимах: пуск, установившийся режим, рсвсрс, торможение