Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Разработка и исследование электропривода карьерного экскаватора по системе "тиристорный непосредственный ПЧ - двухфазный АД" Безгин, Алексей Сергеевич

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Безгин, Алексей Сергеевич. Разработка и исследование электропривода карьерного экскаватора по системе "тиристорный непосредственный ПЧ - двухфазный АД" : диссертация ... кандидата технических наук : 05.09.03 / Безгин Алексей Сергеевич; [Место защиты: Магнитог. гос. техн. ун-т им. Г.И. Носова].- Оренбург, 2013.- 214 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/496

Введение к работе

Актуальность темы. Одной из самой распространенной в России является открытая технология добычи полезных ископаемых. Основным средством выемочно-погрузочных работ является экскаватор.

Наиболее распространенной машиной среди экскаваторов с механическим оборудованием прямой лопатой, применяющейся в основном для добычи строительных материалов (щебенка, песок и т.д.), является экскаватор ЭКГ-4,6 и его модификация ЭКГ-5. На горно-обогатительных комбинатах (ГОКах) наиболее массовой машиной является ЭКГ-8И. Среди вскрышных экскаваторов драглайнов распространенными являются машины ЭШ-6/45 и ЭШ-10/70.

На сегодняшний день самой распространенной системой электропривода (ЭП) основных механизмов на работающих экскаваторах остается система «Генератор - Двигатель» (Г-Д). Большинство таких экскаваторов работают с сверхнормативными сроками эксплуатации. При неизбежной модернизации или капитальных ремонтах возникает вопрос об альтернативе замены электротехнического оборудования главных приводов с морально устаревшей системы Г-Д на другую. Целями модернизации являются прежде всего повышение коэффициента полезного действия (КПД) (система Г-Д имеет КПД около 81 % в номинальном режиме) и надежности. В качестве вариантов систем ЭП на сегодняшний день предлагаются системы «тиристорный преобразователь-двигатель постоянного тока» (ТП-Д) и «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ -АД). Первый вариант является оптимальным по энергетическим и динамическим параметрам при модернизации экскаваторного парка, так как требует минимум капитальных затрат. Однако наличие щеточно-коллекторного узла уменьшает надежность ЭП. Аварийный режим опрокидывания инвертора может создавать недопустимые динамические удары в кинематических цепях.

Более перспективным направлением модернизации экскаваторного электрооборудования является разработка ЭП переменного тока. Несмотря на множество работ, посвященных данной тематике, количество реальных внедрений в производство незначительно. В 1990 г на разрезе "Сафроновский" АО "Востсибуголь" был пушен в эксплуатацию ЭШ 20.90 №39 с системой НПЧ находящейся в эксплуатации по настоящее время. Единственный на 2012г. запущенный в промышленную эксплуатацию на Краснобродском угольном разрезе, экскаватор ЭКГ-32Р по системе автономный инвертор напряжения (АИН) АНН-АД производства "ИЗ-картекс". Внедрение систем ПЧ-АД затрудняет практически полное отсутствие электродвигателей экскаваторного исполнения отечественного производства.

Большинство выпускаемых преобразователей выполнены на базе АИН. Такие ПЧ имеют ряд недостатков. Это, прежде всего наличие в системе батареи конденсаторов большой емкости, большая установленная мощность системы. Проблема рекуперации электрической энергии решается применением активных выпрямителей, что, влечет за собой дополнительное увеличение габаритов ЭП и уменьшение КПД.

Тиристорные непосредственные преобразователи частоты (ТНПЧ) отли-

чаются от транзисторных АИН прежде всего беспрепятственным обменом энергией между сетью и нагрузкой, что не требует специальных устройств рекуперации, отсутствием значительных по емкости конденсаторов и большим КПД вследствие меньшего падения напряжения на силовых ключах и меньшими потерями их переключения. Опрокидывание инвертора, как показывают исследования (Кадыров И.Ш. и др.), в этих ЭП оказывает значительно меньшее влияние на механику экскаватора, чем система ТП-Д.

В то же время большие, чем в системе ТП-Д, габариты силовой части ЭП создают проблему с размещением оборудования при модернизации экска-

ваторов с объемом ковша до 5м , так как размеры машинного отделения небольшие. Применение же двухфазного АД (2фАД) совместно с двухфазным ти-ристорным НПЧ (ТНПЧ) позволяет решить эту проблему. В работах Беспалова В.Я., Качалиной Е.В. показана возможность проектирования двухфазных АД для экскаваторных электроприводов, не уступающих по энергетическим показателям двигателям с традиционной трехфазной обмоткой.

Применение в качестве силовых ключей тиристоров, с одной стороны увеличивает надежность ПЧ (большая, чем у транзисторов, перегрузочная способность). С другой стороны известный недостаток, такой как ограниченный сверху диапазон регулирования частоты выходного напряжения, не способствуют широкому распространению данного типа ПЧ.

Известны работы Ключева В.П., Микитченко А.Я, Благодарова Д.А., Грекова Э.Л. и др., посвященные разработке и исследованию экскаваторного электропривода на базе ТНПЧ, в которых использовалась частотно-токовая система управления В то же время векторные системы частотно-регулируемого электропривода позволяют получить наибольшее быстродействие и точность ограничения максимально допустимого момента при резком стопорений в режиме копания. Однако такой вид систем применительно к ТНПЧ ранее не исследовались.

На сегодняшний момент дальнейшая перспектива развития ЭП также заключается в разработке микропроцессорных систем управления, позволяющих добиться большей унификации, точности работы и защиты.

Актуальность работы заключается в разработке и исследовании электропривода подъема карьерного экскаватора ЭКГ-5 по системе ТНПЧ-2фАД, с микропроцессорным векторным регулированием.

Целью диссертационной работы является разработка частотно-регулируемого ЭП подъема карьерного экскаватора ЭКГ-5 при его модернизации, работающего в интенсивном повторно-кратковременном режиме с частыми перегрузками вплоть до стопорения, и обеспечивающего повышение производительности и энергосбережение.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Разработка и исследование модели ЭП подъема с векторной системой управления (ВСУ) ТНПЧ при ориентации по потокосцеплению ротора с учетом питания АД от ТП и дискретного управления по времени, а также требований к экскаваторному ЭП. Проверка ее адекватности в статических и динамических режимах.

  1. Разработка способа формирования управляющих сигналов тиристор-ных реверсивных преобразователей с раздельным управлением, обеспечивающего необходимый фазовый сдвиг между напряжением и током обмоток статора в различных режимах работы ЭП с ВСУ.

  2. Определение требуемого закона управления потокосцеплением ротора во второй зоне регулирования при спуске пустого ковша с целью достижения максимально возможной перегрузочной способности.

  3. Разработка структурной схемы ВСУ ЭП с ТНПЧ, обеспечивающей уменьшение колебаний момента двигателя при формировании выходных частот выше 25 Гц.

  4. Сравнительный анализ энергетических показателей систем ЭП переменного и постоянного тока механизма подъема экскаватора ЭКГ-5, построенных на базе тиристорных преобразователей.

  5. Разработка макетного образца системы ТНПЧ-2фАД мощностью 200 кВт, предназначенного для модернизации ЭП подъема ЭКГ-5. Проведение экспериментальных исследований для проверки и подтверждения основных положений работы.

Методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, теории электропривода, теории автоматического управления, компьютерного моделирования в программном пакете Matlab/Simulink и физического макетирования.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается результатами компьютерного моделирования и результатами экспериментальных исследований на физическом макетном образце.

Основные положения выносимые на защиту:

  1. Структура цифровой векторной системы управления ТНПЧ ЭП подъема экскаватора ЭКГ-5, отличающаяся новым алгоритмом системы импульсно-фазового управления, способом формирования задания управления тиристор-ным преобразователем.

  2. Методика определения требуемого закона изменения потокосцепле-ния ротора во второй зоне регулирования при спуске пустого ковша, обеспечивающего максимально возможный перегрузочный момент, с учетом ограничения тока статора, и уменьшения эффективного значения первой гармоники выходного напряжения ТНПЧ с ростом ее частоты.

  3. Способ компенсации отставания вектора тока статора от расчетного положения в ВСУ, обеспечивающий повышение устойчивости ЭП при работе на частотах выше 25 Гц, заключающийся в измерении временного сдвига между изменениями полярности задания на переключение реверсивных групп ТП и тока статора.

  4. Схемотехнические решения и программная реализация алгоритмов управления векторной системы электропривода с ТНПЧ, физический макетный образец мощностью 200 кВт, предназначенный для модернизации привода подъема ЭКГ-5, и результаты экспериментальных исследований.

Научная новизна В диссертационной работе получены следующие ос-

новные научные результаты:

  1. Разработана компьютерная модель ЭП подъема экскаватора ЭКГ-5, в которой реализованы новые способы формирования задания на потокосцепле-ние статора, заданий управления ТП и компенсации отставания тока статора от задающего сигнала, алгоритмы реального программного обеспечения управляющих контроллеров блока управления ТНПЧ, позволяющая исследовать статические и динамические процессы и энергетические показатели ЭП.

  2. Предложена методика определения требуемого закона изменения по-токосцепления ротора на основе расчета необходимого напряжения на статоре двигателя в зависимости от статического момента и частоты выходного напряжения ПЧ, обеспечивающего максимальный возможный перегрузочный момент, и позволяющий исключить насыщение регуляторов ВСУ при работе во второй зоне регулирования.

  3. Разработан способ компенсации отставания тока статора от задающего сигнала по времени задержки переключения реверсивных групп тиристоров, обеспечивающей уменьшение до 15% колебания момента АД при работе на частотах выше 25 Гц.

  4. Разработан способ синхронизации цифровой системы управления с питающей сетью, обеспечивающий помехоустойчивую работу системы им-пульсно-фазового управления при значительной до 15 электрических градусов длительности коммутационных провалов питающего напряжения.

  5. На основе компьютерного моделирования получены результаты исследования энергетических характеристик экскаваторного электропривода показывающие, что система электропривода ТНПЧ-2фАД в номинальном режиме работы имеет КПД на 8% больше, чем в системе Г-Д, и на 3% больше, чем в системе ТНПЧ-ЗфАД.

Практическая ценность и реализация работы заключается в том, что

  1. Разработана методика расчета коэффициентов регуляторов ВСУ с ТНПЧ, учитывающая особенность цифровой системы управления, позволяющая использовать ее при разработке систем управления частотно-регулируемых ЭП на базе 16-ти разрядных микропроцессоров с арифметикой с фиксированной точкой.

  2. Разработана методика выбора частот дискретизации ВСУ и параметров отрицательной обратной связи по скорости при применении инкрементального энкодера, в зависимости от разрядности самого датчика.

  3. Разработанная компьютерная модель экскаваторного ЭП по системе ТНПЧ-2фАД позволяет выполнять проверочный расчет энергетических показателей по нагрузочной диаграмме и тахограмме с целью минимизации потерь в питающей сети и в трансформаторе путем подбора мощности фильтро-компенсирующего устройства (ФКУ).

  4. Результаты диссертационной работы, а именно схемотехнические решения, способ синхронизации СИФУ, настройка цифровых регуляторов, алгоритм пуско-наладки ВСУ, внедрены в производство ОАО "Рудавтоматика" при проектировании тиристорных низковольтных комплектных устройств ЭП карьерных экскаваторов. Компьютерная модель ЭП с ВСУ ТНПЧ внедрена в учеб-

ный процесс кафедры автоматизированного электропривода и электромеханики Оренбургского государственного университета при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам: «Энергетическая электроника», «Электрический привод» и «Математическое моделирование в электроприводе».

5. Результаты диссертации, а именно методики расчета коэффициентов регуляторов ВСУ, определения параметров обратной связи по скорости и требуемого закона изменения потокосцепления во второй зоне регулирования, были использованы при выполнении научно-технической работы по гранту Оренбургской области на тему: «Разработка промышленного образца управляемого электропривода насосного агрегата на базе энергосберегающего асинхронного двигателя серии АДМ со встроенным преобразователем частоты для нужд системы ЖКХ». Соглашение № 35-г от «03» октября 2012 г.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Всероссийской научно-практической конференции «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (г. Оренбург, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и практики в профессиональном развитии педагога» (г. Оренбург, 2010 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (г. Оренбург, 2010, 2012 г.); VII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г. Чебоксары, 2010 г); V Всероссийская научно-техническая конференция «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (г. Оренбург, 2011 г); X Всероссийская научно-техническая конференция «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (г. Чебоксары, 2013 г);

на заседаниях кафедры автоматизированного электропривода ФГБОУ ВПО ОГУ, г. Оренбург в 2007-2013г.;

на заседании кафедры автоматизированного электропривода и меха-троники ФГБОУ ВПО МГТУ им. Г. И. Носова, г. Магнитогорск в 2012 и 2013г.;

на заседаниях научно-технического совета ОАО «Рудоавтоматика», г. Железногорск (Курская область) в 2010-2013г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 10 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве, в том числе 3 статьях в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ. Получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 85 наименований. Работа изложена на 183 страницах основного текста, содержит 103 рисунка, 14 таблиц и 4 приложений общим объемом 29 страницы.

Похожие диссертации на Разработка и исследование электропривода карьерного экскаватора по системе "тиристорный непосредственный ПЧ - двухфазный АД"