Переменная структура и локальные алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом горных машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Иванов, Александр Сергеевич

• Иванов, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванов, Александр Сергеевич

Введение.

Глава 1: Структура и принципы управления электроприводом для горных машин на примере экскаваторного привода.

1.1 Электротехнические комплексы экскаваторов.

1.2 Состав электротехнического комплекса.

1.3 Технические требования, предъявляемые к электрооборудованию экскаватора.

1.4. Электроприводы главных механизмов.

1.4.1 Виды электроприводов, применяемых для главных механизмов экскаваторов.

1.4.2 Электропривод постоянного тока системы Г-Д.

1.4.3 Электропривод постоянного тока системы ТП-Д.

1.4.4 Регулируемый электропривод переменного тока системы ПЧ-АД

Выводы к главе

Глава 2: Мультиструктурные системы управления сложными технологическими объектами.

2.1. Понятие систем с переменной структурой.

2.2. Общие методы анализа систем управления с переменной структурой.

2.2.1. Метод фазового пространства.

2.2.2. Типы движения в системах с переменной структурой.

2.3. Структура и алгоритмы работы МСУ на примере электропривода экскаватора.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Проблема качества электроэнергии при использовании в электроприводе полупроводниковых коммутаторов и методы обеспечения качества за счет использования активных выпрямителей.

3.1. Современное состояние и научные проблемы электромагнитной совместимости в сетях горнодобывающей промышленности.

3.2. Силовые полупроводниковые преобразователи.

3.3. Активные преобразователями частоты в системах электропривода переменного тока.

3.3.1 Структура и основные принципы функционирования активного выпрямителя напряжения.

3.3.2 Системы управления активным выпрямителем напряжения.

3.3.3 Векторная САР активного выпрямителя напряжения.

3.4. Альтернативные системы управления активным выпрямителем напряжения.

3.4.1. Прогнозирующее релейно-векторное управление.

3.4.2. Релейно-импульсные системы управления активным выпрямителем напряжения с табличными алгоритмами переключения.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Имитационное моделирование электропривода горных машин на примере привода экскаватора.

4.1. Описание имитационной модели.

4.2. Описание и работа виртуального стенда по исследованию систем управления электроприводом.

4.3 Имитационное моделирование активного выпрямителя напряжения

4.4. Принципы и алгоритмы оценки координат асинхронного двигателя для «бездатчиковых» систем наблюдения.

4.4.1. Наблюдатель координат неполного порядка.

4.4.2. Наблюдатель координат полного порядка.

Выводы к главе 4.

Глава 5. Лабораторный макет электропривода с преобразователем частоты с активным выпрямителем.

5.1. Описание стендовой модели.

5.2. Общие сведения о ПЧ Vacon CXS.

5.3. Работа экспериментальной модели в различных режимах.

Выводы к главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Переменная структура и локальные алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом горных машин»

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.

Электроприводы гонных машин работают в тяжелых условиях эксплуатации, для которых характерным является один или несколько следующих особенностей: интенсивный повторно-кратковременный режим работы, резко изменяющийся момент нагрузки на валу двигателя и влияние на характер нагрузки случайных факторов, возникающий из-за неопределенности условий работы горной машины. Наиболее полно все перечисленные требования предъявляются к электроприводам главных механизмов одноковшовых экскаваторов [21, 25], поэтому они и были выбраны в качестве объекта управления в данной работе. 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 A.A. 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 МаЛаЬ.

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:

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.

2. Обеспечение электромагнитной совместимости с питающей сетью в требуемых нормами значениях и повышение качества электрической энергии целесообразно на базе использования в электроприводе переменного тока горных машин выпрямителей с передним активным фронтом.

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 Hüttenmännischer 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.».

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Иванов, Александр Сергеевич

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Мультиструктурная система управления обеспечивает оптимизацию работы горной машины во всех режимах. Использование системы ПУМ в качестве локального регулятора скорости и момента, а РИСТ в качестве локального регулятора потребляемой мощности представляется наиболее целесообразным

2. Сравнение систем ПУМ и ВУ для выявления наилучшего локального регулятора показало преимущество ПУМ для условий резкопеременной динамической нагрузки за счет высокого быстродействия в контуре тока.

3. Использование активного выпрямителя обеспечивает по данным моделирования коэффициент мощности, близкий к единице, и искажение кривой тока сети < 5%

4. Экспериментальные исследования на физической модели, включающем преобразователь частоты с активным выпрямителем и нагрузочное устройство, показали удовлетворительное совпадение с имитационной моделью

5. Выработаны рекомендации по структуре и алгоритму управления приводом переменного тока для горных машин с тяжелыми условиями эксплуатации.

6. По результатам исследований была подана заявка на патент РФ под названием «Устройство автоматического управления электроприводом переменного тока при питании от источника ограниченной мощности», per. № 2010119989/07 от 18.05.2010.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится научно-обоснованное решение актуальной научно-технической задачи создания перспективных структуры и алгоритмов управления частотно-регулируемого привода для горных машин и обеспечения его электромагнитной совместимости с питающей сетью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванов, Александр Сергеевич, 2010 год

1. A.c. № 1671801 СССР, МКИ Е 02 F 9/20. Способ управления многосвязными электромеханическими системами/ Кочетков В.П., Сидоренко K.M., Антропов JI.A., Полузадов В.Н. Опубл. 1991. БИ №31.

2. Абрамов Б.И., Портной Т.З. Направления совершенствования электрооборудования одноковшовых экскаваторов// Электротехника. 2000. №1.

3. Агунов A.B. Улучшение электромагнитной совместимости в автономных электроэнергетических системах ограниченной мощности методом активной фильтрации напряжения. // Электротехника, №6, 2003, 52-56.

4. Алексеев В.В., Козярук А.Е., Загривный Э.А. Электрические машины. Моделирование электрических машин приводов горного оборудования. СПГГИ. СПб, 2006.

5. Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления: учебник для ВУЗов. 2-е изд., доп. М.: Высшая школа, 1998.

6. Бесекерский В.А., Попов В.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука. 1975.

7. Буль Ю. Я., Симонов Ю. Б. Выбор параметров тиристорных возбудителей для электроприводов экскаваторных механизмов. М.: Электричество, 1976, № 11.

8. В. И. Ключев Автоматизированный электропривод. М. : Энергия, 1980. 408 с.

9. Вершинин В.И., Загривный Э.А., Козярук А.Е. Электромагнитная и электромеханическая совместимость в электротехнических системах с полупроводниковыми преобразователями // СПб: изд-во СПГГИ(ТУ), 2000. 68 с.

10. Волков A.B. Анализ электромагнитных процессов и совершенствование регулирования активного фильтра // Электротехника, №12, 2002.

11. Гамазин С. И., Пупин В. М., Марков Ю. В. Обеспечение надежности электроснабжения и качества электроэнергии. Промышленная энергетика №11. 2006.

12. Геворкян В. М., Трошин П. В. Сравнение методов оценки фактического вклада субъектов электрических сетей в ухудшение качества электрической энергии. Промышленная энергетика №7. 2008.

13. ГОСТ 30067-93. Экскаваторы одноковшовые универсальные полноповоротные. Общие технические условия/ ИНК Издательство стандартов 1998.

14. Домбровский Н.Г. Экскаваторы. М . : Машиностроение, 1969.

15. Дыда A.A., Маркин В.Е. Адаптивная система управления с переменной структурой. Решение ФИПС от 04.03.2003 о выдаче патента на изобретение по заявке 2001220496/09 от 23.07.2001.

16. Ефимов A.A., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока. / Под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Р.Т. Шрейнера. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. -250 с.

17. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск: НГТУ, 2000. 4.2. 197 с.

18. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск: НГТУ, 2001. 4.1. 198 с.

19. Зиновьев Г.С. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники (электроэнергетический аспект). Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998. - 90 с.

20. И.Л.Беркман, А.В.Раннев, Ф.К.Рейш. Универсальные одноковшовые строительные экскаваторы// М.: Высшая школа, 1977

21. Иванов A.C. Структура и алгоритмы управления электроприводом переменного тока экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика №10, 2009. С. 23-26.

22. Иванов A.C. Структура и математическая модель асинхронного электропривода без датчиков основных координат / А.Е. Козярук // Записки Горного института / РИЦ СПГГИ (ТУ). СПб., 2007. Т. 1(170). С. 50-53.

23. Карасев А. В., Смирнов В. М. Некоторые особенности управления трехфазным выпрямителем с коррекцией коэффициента мощности// РИЦ ГОУВПО МРГУ, Саранск 2004.

24. Ключев В.И. Разработка и исследование экскаваторных электроприводов// Электротехника. 1995. № 10.

25. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Прямое управление моментом в электроприводе переменного тока машин и механизмов горного производства. СБГГИ(ТУ), СПб, 2008.

26. Козярук А.Е., Черемушкина М.С. Структура и алгоритмы управления и автоматизации при использовании мощных электромеханических комплексов с полупроводниковыми преобразователями// Записки горного института, №177. 2008.

27. Кондратьев Д.Е., Обухов С.Г. Прямое управление мгновенной мощностью трёхфазных AC-DC преобразователей с коррекцией коэффициента мощности //Практическая силовая электроника. 2008 -№29.

28. Красовский A.A. Динамика непрерывных самонастраивающихся систем. М.: Физматгиз, 1963. -485 с.

29. Лотоцкий К. В. Электрические машины и основы электропривода. М., 1964г.

30. Микитченко А. Я. Проблемы регулируемого электропривода в экскаваторах // Сборник трудов IV Международной Всероссийской конференции. Магнитогорск. 2004.

31. Мительман М.В., Мирошкин П.П. Совершенствование электроприводов экскаваторов. -М.: Недра, 1987.

32. Моисеев H.H. Элементы теории оптимальных систем. М.: Наука, 1975. 528 с.

33. Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е., Кондратьев Д.Е. Широтно-импульсная модуляция в трёхфазных инверторах напряжения //Электричество. 2008. - №7.

34. Павлов A.A. Синтез релейных систем, оптимальных по быстродействию. Метод фазового пространства. М: Наука, 1966 392 с.

35. Подэрин Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых горных работ//М.: Недра, 1985.

36. Поздеев А. Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах. Чебоксары: ИЧУ. 1998.

37. Портной Т.З., Парфенов Б.М., Коган А.И. Современное состояние и направления развития электротехнических комплексов одноковшовых экскаваторов. Изд. «Знак». Отпечатано в ОАО «Электропривод». 2002.

38. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Терещенков В.В. Управление многотактным активным выпрямителем экскаватора ЭКГ-35К// Горное оборудование и электротехника. 2009. № 10.

39. Расстриналин JI.A. Системы экстремального управления. М. .-Наука, 1974.

40. Рейнгольд Ю.Р. Новые разработки для модернизации электроприводов мощных экскаваторов// Электротехника. 2001. №1.

41. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением/ JL: Энергоатомиздат, 1987, 136 с.

42. Сатовский Б.К, Ярцев Г.М., Полещук П.И., Цветков В.Н., Ясенев Д.А. Современные карьерные экскаваторы. М.: Недра, 1971.

43. Сычев Ю.А. Активные системы коррекции формы кривых тока и напряжения в сетях нефтепромыслов/ Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб: РИЦ СПГГИ( ТУ). 2010.

44. Теория систем с переменной структурой. Под ред. Емельянова С. В. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1970 592 с.

45. Уткин В.И. Системы с переменной структурой: состояние, проблемы и перспективы// Автоматика и телемеханика. 1983. № 9.

46. Шидловский C.B. Автоматическое управление. Перестраиваемые структуры. Томск, 2006., 288 с.

47. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование приводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН 2000. 654 с.

48. Шрейнер Р.Т., Ефимов A.A. Активный фильтр как новый элемент энергосберегающих систем электропривода // Электричество, №3, 2000.

49. Шрейнер Р.Т., Ефимов A.A., Зиновьев Г.С. Прогнозирующее релейно-векторное управление активным выпрямителем напряжения // Электротехника, №12, 2001.

50. Шрейнер Р.Т., Ефимов A.A., Мухаматшин H.A. Релейное управление активным токовым преобразователем частоты// Электротехника. 2005. №9.

51. Blaschke F. Das prinzipder feldorientierung, die yrundlagefürdie transvektor-regelung von asynchronmaschienen // Siemens-Zeitschrift, 1971.

52. DeCarlo R., Zak S. and Matthews G. Variable Structure Control of Nonlinear Multivariable Systems: A Tutorial, Proceedings of the IEEE, VOL. 76, № 3, March 1988.

53. Dwyer T.A.W., Sira-Ramirez H., Monaco S., StomeUi S. Variable-structure Control of Globally Feedback Decoupled Deformable Vehicle Maneuvers. Proc. Of27-thCDC,pp. 1281-1287, 1987.

54. Huber L., Borojevic D., Space Vector Modulated Three-phase to Three-phase Matrix Converter with Input Power Factor Correction// IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 31, № 6, 1995.

55. Ivanov A. Das multistrukturelle Steuersystem fur elektrische Antriebe des Einschaufeibaggers, Freiberger Forschungsforum 60. Berg-und Hüttenmännischer Tag 2009 Technische Universität bergakademie Freiberg S. 115-119.

56. Rong-Jie Tu, Chern-Lin Chen. A New Three-phase Space-Vector-Modulated Power Factor Corrector// IEEE APEC'94Conference Proceeding, 1994.

57. Wu-Chung S., Drakunov S.V., Ozguner U. Constructing discontinuity surfaces for variable structure systems // Automatica. 6, 1996.

58. Xing Huo Yu,Jian-Xin Xu. Variable structure systems: towards the 21st century. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2002.

59. Xinghuo Yu, Jian-Xin Xu. Advances in variable structure systems. Australia: Gold Coast, 2000.

60. Zimmer D. Equation-Based Modeling of VariableSystems. Swiss Federal Institute of Technology, Zurich. 2010.