CC BY
38
УДК 621.3 ББК 31.261.2
Р.Н. ГАНИЕВ, С.Н. ШАТУНОВ
ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С РЕКУПЕРАЦИЕЙ В СОСТАВЕ КОРДНОЙ ЛИНИИ ПРОИЗВОДСТВА ГРУЗОВЫХ АВТОШИН
Ключевые слова: многодвигательный электропривод, взаимосвязанные электроприводы с рекуперацией энергии, частотно-регулируемый электропривод, кордная линия, производство автошин.
Цель данной работы заключается в разработке способа повышения энергоэффективности взаимосвязанных электроприводов с рекуперацией энергии. Для достижения цели определены режимы работы технологической линии производства корда, в которых возможна рекуперация энергии в сеть, разработаны требования к многодвигательной системе. Предложена идея управления, основанная на контроле режимов рекуперации. Исследования проведены путем моделирования в программе МшЬаЬ, пакет БшиНпк и БтРсгмегБу$1еш$. Представленный вариант частотно-регулируемого электропривода позволяет добиться повышения энергоэффективности при использовании рекуперируемой энергии электропривода. Научная новизна состоит в разработанном алгоритма управления, повышающем энергоэффективность электроприводов поточных линий в технологии производства автомобильных шин за счет использования генераторных режимов асинхронных двигателей в составе частотно-регулируемых электроприводов.
Процесс изготовления корда состоит в пропитке кордной ткани специальным раствором - латексом с последующей двухсторонней обкладкой ткани резиной, что происходит на многовалковых каландрах. В качестве кордной ткани используют хлопчатобумажные, вискозные и полиамидные ткани со свойствами нейлона. В отличие от червячных машин каландры состоят из механизмов, приводимых в движение реверсивными многоквадрантными электроприводами с меняющимся знаком скорости и момента [3].
Поскольку в процессе каландрования меняется объем подаваемой резиновой смеси, необходимо управлять электромагнитным моментом привода. Однако несвязное управление без учета режимов рекуперации приводит к потере качества кордной ткани, а также к существенным затратам энергии на переработку материалов.
В этой связи вытекает необходимость в разработке способа повышения энергоэффективности взаимосвязанных приводов линии с режимами рекуперации энергии в сеть.
Рассмотрим технологические требования к многодвигательному электроприводу и действующую схему электроприводов на примере кордной линии КАМА-3.
Электропривод должен обеспечивать диапазон регулирования скорости не менее 1:15, так как скорость движения ткани корда, согласно технологическим требованиям, должна быть в пределах от 3 до 5 м/мин [2].
Задание и стабилизация натяжений на различных участках кордной линии должны поддерживаться с точностью 0,5%. Частота вращения в установившемся
режиме регулируется с точностью до ±5% , а при изменении статического момента - от 0,25 до 1,00 от номинального момента двигателя. Динамические моменты должны компенсироваться. Время аварийного торможения валков должно быть ограничено (не более чем ^ длины окружности валка).
Требования по верности поддержания назначенных характеристик таковы: наибольший установившийся сдвиг рабочей скорости линии в статических режимах - не более ±1% от номинального значения рабочей скорости при статических отклонениях напряжения питающей сети трёхфазного тока на +10%, -15%, частоты сети - на ±1%, температуры окружающей среды - на ±10°С.
В схеме электропривода обязательно должны быть следующие элементы:
- цифровая индикация скоростей каждого приводного двигателя;
- необходимые блокировки и сигналы со стороны автоматизированной системы управления технологическим процессом.
В настоящее время каждый двигатель кордной линии питается индивидуально от преобразователей частоты. Для электроснабжения электроприводов используется силовой трансформатор из трех обмоток. Напряжение вторичной обмотки подключено на вход преобразователей частоты. На рис. 1 изображена схема подключения многодвигательного электропривода кордной линии [5].
(О)м24 (Q) - (Q).-..(Q)
Рис. 1. Схема подключения многодвигательного электропривода кордной линии
Для проведения дальнейших исследований выбираем два электропривода оборудования «КАМА-3»: М20 - электропривод натяжного валика и М70 - электропривод раскатывающего устройства, двигатель одного из которых питается от преобразователя частоты Mitsubishi FR-A741-22k, а второго - от преобразователя частоты Mitsubishi FR-A740-00620 EC.
Для питания электродвигателя используется преобразователь частоты с возможностью рекуперации Mitsubishi FR-A741. Рекуперируемую энергию электропривода натяжного валика возможно использовать для питания другого электропривода М70. Объединение преобразователей с общей шиной постоянного тока может стать решением проблемы повышения энергоэффективности линии за счет использования энергии рекуперации.
При исследовании режимов работы кордной линии было зарегистрировано повышение напряжения в звене постоянного тока электропривода натяжного валика в момент разгона технологической линии. Определено, что скорость линии опережает заданную частоту вращения ротора электродвигателя натяжителя, а скорость вращения ротора начинает превышать скорость вращения электромагнитного поля статора и двигатель переходит в генераторный режим.
Таким образом, научная новизна предлагаемого способа повышения энергоэффективности многодвигательного электропривода линии состоит в разработке алгоритма управления электроприводов каландров и натяжных роликов линии, основанного на отслеживании режимов торможения в процессе обрезинивания ткани.
Для исследования приняты два преобразователя частоты с возможностью рекуперации энергии. Схема подключения с общим звеном постоянного тока этих преобразователей представлена на рис. 2.
А
Рис. 2. Экспериментальная схема исследования
Алгоритм состоит в следующем: в момент, когда привод М1 работает в режиме торможения, а привод М2 - в режиме разгона, энергия, запасенная в М1, будет поступать в М2 путем переключения активного выпрямителя на сеть в качестве источника энергии. В случае, когда оба двигателя будут работать в тормозных режимах, активные выпрямители преобразователей частоты будут рекуперировать энергию в сеть. Задатчик интенсивности в данном случае (ЗИ) выполняет функцию регулятора для перевода выпрямителя в режим инвертора при повышении напряжения на шинном мосту звена постоянного тока в случае одновременной работы обоих электродвигателей в генераторном режиме. Одновременно с этим производится регулирование момента «разгоняющегося» и «тормозящего» приводов с уменьшением в генераторном режиме и увеличением в двигательном режиме.
Для исследования предложенного способа применено моделирование системы из двух взаимосвязанных электроприводов в программе Ма1;ЬаЬ/ 8тиПпк.
Схема исследования построена по принципу «Сеть - вторичный источник питания - силовой полупроводниковый преобразователь - электрическая машина». Модель изображена на рис. 3-6 [1, 4].
Рис. 3. Общая схема модели
GD-
tO~
Рис. 4 Схема xy_ABC
ш-
REla>E
Рис. 5. Схема Hit Control
Cl>
<JD
CD CD
jKO
CD
Рис. 6. Схема Subsystem
В созданной модели преобразователь и машина представляют собой звено постоянного тока и обозначены как R, L с регулируемым источником ЭДС. В представленной модели использовалась система переменного тока. Конденсатор необходим как емкостной фильтр. Дифференциальное уравнение для расчета тока нагрузки:
L
din dt
+ R^ = Ud - E(t),
(1)
ток
где Ь - индуктивность обмотки; Я - активное споротивление; /н -нагрузки; - выпрямленное напряжение; Е(0 - ЭДС источника.
При работе электропривода в двигательном режиме иа на конденсаторе будет выше Е(0 и ток нагрузки будет положительным. Энергия будет направлена в сторону электропривода. Если иа будет меньше Е(^, то наоборот.
Для настройки основных параметров в каждом из этих блоков имеются соответствующие окна. В блоке ху_АВС (рис. 4) осуществляется превращение вращающихся координат в неподвижные. Процесс идет согласно следующим формулам:
иа = их соб^О -иу соб^О; ир = иу соб^^) - их соб^^);
иА = иа; ив = -0,5иа - ^0,865ир; ис = -0,5иа 0,865ир,
где uA, uB, uC - напряжения в трехфазной системе координат «АВС»; их, иу -проекции напряжений на оси в неподвижной системе координат «ху»; ит up -проекции напряжений во вращающейся системе координат «ав».
Блок Hit_Control необходим для формирования «токового коридора» в инверторе. Ток по оси х (IX) исходно задается нулевым, чтобы из сети не было потребление реактивной энергии. Для стабилизации напряжения звена постоянного тока контур управления током по оси y делаем подчиненным контуру стабилизации напряжения. В этом контуре находится ПИД-регулятор. В смоделированной схеме ток нагрузки изменяется с течением времени моделирования вследствие изменения противо-ЭДС. На рис. 5 изображена схема подсистемы xy_ ABC . На рис. 6 изображена схема подсистемы Hit_Control. Модель подсистемы Subsystem предназначена для измерений, она изображена на рис. 7. В этой модели присутствуют входные и выходные порты и два блока гармонического анализа (библиотека SimPowerSystems Extras Measurement) [1, 4].
На рис. 7 изображен процесс изменения тока на выходе преобразователя по трапецеидальному закону. Система работает в установившемся режиме при постоянном токе нагрузки (двигательный при положительном токе, генераторный - при отрицательном). Если ток будет изменяться по линейному закону, значит происходит преходный режим работы.
I2 (A) j L / Л -1 \ г/- Т Т \ Г 1 1 1
Г Т U2(В) I I I --------Н---------1---------1-------- Г 1 1 1 1 --------1--------н 1 1 1 1
I I I I I I 1 1 1 1 1 1
I I I I I I I I I Г -Г -1 I I I I I I - 4-4-1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Г 1 I I I I I! t(S)!
0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
Рис. 7. Электромагнитные процессы в во вторичном источнике питания
На рис. 8 изображены электромагнитные характеристики. Для их получения необходимо формировать линейно изменяющийся сигнал. Данный
сигнал формируется в блоке Repeating Sequence. Генераторному режиму будет соответствовать отрицательное значение тока, двигательному -положительное значение.
I-----1-----1-----1-----1----1------Г-----Г----Т----п
I I I I I I I I I I
-I-----1—-J—-J-!-¡-!-U-!
lililí lili lililí lili
I_____I_____I_____I_____I____J______L_____L____X____J
lililí lili lililí lili
i_____!_____i_____i_____!____j______i_____[____i____j
lililí lili lililí lili lililí lili
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
Рис. 8. Электромагнитные характеристики вторичного источника питания
Во время передачи энергии из сети в сторону нагрузки активная мощность будет положительной (режим выпрямителя). Во время рекуперации активная мощность будет с отрицательным знаком.
Таким образом, техническая реализация полученных результатов моделирования позволит настроить систему взоимосвязанных приводов кордной линии, повысив энергоэффективность работы линии за счет отслеживания и управления процессом рекуперации. Практическая значимость работы состоит в предложенном способе использования энергии рекуперации взаимосвязанных электроприводов в технологических линиях и механизмах, где возможны длительные режимы разгона и торможения.
Достоверность результатов исследования доказана экспериментом, проведенным на лабораторно-промышленном комплексе для двух электроприводов с преобразователями частоты Mitsubishi FR-A741 с номинальной мощностью Рном = 22 кВт (двигатель АДЧР160М4У3) и Mitsubishi FR-A741 с номинальной мощностью Рном = 37 кВт (двигатель АДЧР180М4У3) при объединении цепей звена постоянного тока.
Результаты, полученные моделированием работы указанных приводов, а также кривые тока и напряжения, представленные на рис. 9, подтверждают возможность рекуперации при разгоне и торможении линии (ток I2 меняет свое направление).
Предварительные расчеты показали, что в случае реализации данной схемы потребляемая энергия из сети снижается на 5652,14 Вт и будет составлять 26 386,54 Вт. Приблизительная экономия электроэнергии будет составлять 25 787,9 кВтч в год.
12
81.9 81.85 81.8 81.75 81.7
4840-
4820 - -
4800 - -
4780-
0.9965
Time offset: 0
Рис. 9. Характеристики на выходе системы (верхний график - ток, нижний - напряжение)
Литература
1. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. СПб.: Корона, 2001. 320 с.
2. Герман-Галкин С.Г. Моделирование устройств силовой электроники // Силовая электроника. 2009. № 4. URL: http://www.power-e.ru/2009_4_102.php (дата обращения: 05.04.2018).
3. Рагулин В.В., Вольнов А.А. Технология шинного производства. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1981. 264 с.
4. ТереховВ.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов. М.: Академия, 2005.
302 с.
5. Частотно-регулируемые электроприводы в технологиях шинопроизводства / Р.Н. Га-ниев, Н.И. Горбачевский, В.Н. Дмитриев, С.Н. Сидоров; под ред. Н.И. Горбачевского. Ульяновск: УлГТУ, 2015. 223 с.
ГАНИЕВ РИШАТ НАИЛЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и энергообеспечения предприятия, Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) Казанского национального исследовательского технологического университета, Россия, Нижнекамск (n7007@mail.ru).
ШАТУНОВ СТЕПАН НИКОЛАЕВИЧ - магистрант кафедры электротехники и энергообеспечения предприятия, Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) Казанского национального исследовательского технологического университета, Россия, Нижнекамск.
R. GANIEV, S. SHATUNOV FREQUENCY-REGULATED ELECTRIC DRIVE WITH RECUPERATION OF THE CORD LINE IN THE TIRE PRODUCTION
Key words: multi-motor electric drive, interconnected electric drives with energy recovery, frequency-controlled electric drive, cord line, production of tires.
The purpose of this work is to develop a way to improve the energy efficiency of interconnected electric drives with energy recovery. To achieve the goal, the modes of operation of the technological cord production line are determined, in which energy recovery into the network is possible, and the requirements for a multi-motor system are developed. The control based on mode recovery control is proposed. Research has been carried out by simulation in the program MatLab, Simulink and SimPowerSystems. The presented variant of a frequency-adjustable electric drive allows achieving energy efficiency when using electric drive recovered energy. The scientific novelty consists of the developed control method that increases energy efficiency of electric drives of production lines in automobile tires production technology due to the use of generator modes of asynchronous motors as part of variable frequency drives.
References
1. German-Galkin S.G. Komp'yuternoe modelirovanie poluprovodnikovykh sistem v MATLAB 6.0 [Computer simulation of semiconductor systems in MATLAB 6.0]. St. Petersburg, Crown Publ., 2001, 320 p.
2. German-Galkin S.G. Modelirovanie ustroistv silovoi elektroniki [Modeling of devices of power electronics. Lesson 10. Secondary power supply of semiconductor electric drive with energy recovery to the network]. Silovaya elektronika, 2009, no. 4. Available at: http://www.power-e.ru/2009_4_102.php (Accessed 5 Apr. 2018).
3. Ragulin V.V., Vol'nov A.A. Tekhnologiya shinnogo proizvodstva. 3-e izd., pererab. i dop. [Technology of tire production. 3rd ed.]. Moscow, Chemistry Publ., 1981, 264 p.
4. Terekhov V.M., Osipov O.I. Sistemy upravleniya elektroprivodov [Control systems for electric drives]. Moscow, Academy Publ., 2005, 302 p.
5. Gorbachevskii N.I., ed., Ganiev R.N., Gorbachevskii N.I., Dmitriev V.N., Sidorov S.N. Chastotno-reguliruemye elektroprivody v tekhnologiyakh shinoproizvodstva [Frequency-regulated electric drives in tire production technologies]. Ulyanovsk, Ulyanovsk State University Publ., 2015, 223 p.
GANIEV RISHAT - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electrical Engineering and Power Supply of the Enterprise, Nizhnekamsk Chemical-Technological Institute (Branch) of Kazan National Research Technological University, Russia, Nizhnekamsk (n7007@mail.ru).
SHATUNOV STEPAN - Master's Program Student, Department of Electrical Engineering and Energy Supply of the Enterprise, Nizhnekamsk Chemical and Technological Institute (Branch) of Kazan National Research Technological University, Russia, Nizhnekamsk.
Формат цитирования: Ганиев Р.Н., Шатунов С.Н. Частотно-регулируемый электропривод с рекуперацией в составе кордной линии производства грузовых автошин // Вестник Чувашского университета. - 2018. - № 3. - С. 44-52.
