CC BY
40
УДК 621.314
РАЗРАБОТКА МОДИФИЦИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ШАХТНОЙ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
Э.Е. Пугачёва, В.М. Степанов, А.С. Иванов, П.Р. Нусратов
Повышение энергоэффективности работы ШПУ является одной из основных задач по экономии электроэнергии на шахте. Жесткость канатов ШПУ сопровождается появлением различных колебаний в упругой части механической системы подъемной установки, что негативно влияет на динамические показатели качест-ва.Разработка модифицированной системы управления скоростью сосудов ШПУ позволит компенсировать в режиме рекуперативного торможения влияние концевой нагрузки, что улучшит динамические показатели качества электропривода.
Ключевые слова: электропривод шахтной подъемной установки, режим рекуперативного торможения, двухзвенный преобразователь частоты, звено рекуперации энергии, формирователь упругого момента.
В настоящее время ведущими производителями регулируемых электроприводов (такими, как АВВ) применяется метод прямого управления моментом и потокосцеплением асинхронного двигателя (ПУМ). По информации А85подобные системы отрабатывают стопроцентный скачок задания момента, обеспечивают регулирование электромагнитного момента при низких частотах вращения, включая и нулевую, а также обеспечивают точность поддержания скорости на уровне 10 % скольжения асинхронного двигателя без использования датчика скорости и 0,01 % - с использованием датчика скорости [1,2]. По сравнению с векторным управлением системы ПУМ благодаря применению гистерезисных регуляторов и таблицы переключений ключей инвертора обладают рядом достоинств: простотой в реализации, высокой динамикой; высоким быстродействием по моменту и потоку по сравнению с классическим векторным управлением; низкой частотой выборки, а также постоянной частотой переключения
[3].
Как и в классических системах ПУМ, в системе с пространственно-векторной модуляцией DTC-SVM регулируемыми переменными (переменные состояния АД) являются потокосцепление и электромагнитный момент асинхронного двигателя. Несмотря на существующие недостатки, классическая система ПУМ используется реже в системах управления электроприводами переменного тока по сравнению с DTC-SVMи другими системами, что обосновано простотой схемного построения данной системы управления.
В результате проведённых исследований выяснено, что жесткость канатов шахтной подъемной установки (ШПУ) сопровождается появлением различных колебаний в упругой системе механической части подъемной установки, что негативно отражается на динамических показателях качества.
На базе полученных данных была сформулирована задача разработки модифицированной системы управления скоростью сосудов ШПУ. Эта система должна в режиме рекуперативного торможения компенсировать влияние концевой нагрузки, что существенно улучшит динамические показатели качества электропривода.
Функциональная схема модифицированной системы управления скоростью сосудов шахтной подъёмной установки может быть представлена системой подчиненного регулирования, изображенной на рис.1.
На рис. 1 введены следующие обозначения: ДПТ - двухзвенный преобразователь частоты; ЗРЭ - звено рекуперации электроэнергии; ЗПТ -звено постоянного тока; АНН -автономный инвертор напряжения; АД -асинхронный двигатель; УСН -узел сосуда с концевой нагрузкой; УПР -узел противовеса; ВНЕС - вычислитель ненаблюдаемых коорди-нат;<х>зад, Цгзад, Му^р — сигналы задания скорости, потокосцепления ротора
АД и упругого момента нагрузки ШПУ, ¥/Факт, МуПаркт — фактические сигналы потокосцепления и упругого момента нагрузки, заводимые через обратные связи; кос, к0П, ком, коум — соответственно коэффициенты обратных связей по скорости, потокосцеплению ротора, электромагнитному моменту и упругому моменту нагрузки; Цшд, Ушд —выходные сигналы регуляторов момента и потокосцепления ротора АД; — сокращенно от Ба1,БЬ1,Бс1 (ключевые состояния переключения ЮВТ-транзисторов выпрямителя); Б2 — сокращенно от Ба2,БЬ2,БС2 (ключевые состояния переключения ЮВТ-транзисторов выпрямителя); ФУМ - формирователь упругого момента нагрузки; БС - блок сравнения; БП - блок памяти; /1замед — высота участка замедления ШПУ.
Система автоматического управления построена по принципу подчиненного регулирования координат с внешним контуром регулирования скоростью сосудов ШПУ и внутренними контурами регулирования моментом и потокосцеплением ротора асинхронного двигателя. Блок «регулятор скорости» (РС) получает информацию о состоянии электропривода (на входе РС сравниваются сигналы отрицательной обратной связи по скорости с сигналом задания по скорости) и выдает задание на контур регулирования ПУМ. Для ограничения величины перерегулирования в режиме рекуперативного торможения при спуске концевой нагрузки используется компенсирующая обратная связь по упругому моменту нагрузки. Блок ДПЧ с разработанным звеном рекуперации электроэнергии (ЗРЭ) с алгоритмом управления силовыми ключами Ба1,БЪ1,Бс1) обеспечивает двусторонний обмен энергией между питающей сетью и электродвигателем ШПУ, что даёт возможность рассматривать систему управления электроприводом шахтной подъёмной установки как энергосберегающий электропривод.
Модификация существующей структуры системы управления электроприводом шахтной подъёмной установки производилась с помощью добавления блока формирователя упругого момента (ФУМ). Блок ФУМ состоит из блока сравнения положения сосуда с заданным значением (БС), блока памяти значения упругого момента на равномерном участке движе-
ния сосудов (БП), ключей коммутации. В зависимости от положений ключей коммутации возможны два режима работы электропривода ШПУ:
- в режиме стабилизации скорости сосудов (положения ключей К1.1 и К1.2 изображены на рис. 3);
- в режиме замедления (происходит переключение ключей К1.1 и
К1.2).
При такой организации системы управления электроприводом шахтной подъёмной установки отсутствуют колебания скорости подъема сосудов и момента двигателя в режиме замедления.
На рис. 2 изображён переходный процесс в существующей системе со стандартными настройками.
Данный рисунок соответствует режиму рекуперативного торможения в течение цикла работы ШПУ (время цикла принято 80 сек).
Как видно из рис. 2, спуск сосуда с концевой нагрузкой вызывает появление пульсаций и перерегулирования по каналам электромагнитного момента и скорости сосудов электропривода подъёмной установки. Это снижает точность управления, повышает электропотребление и увеличивает акустические шумы в асинхронном двигателе. Кроме того, снижается быстродействие системы электропривода ШПУ. Перерегулирование по каналу момента достигает значения 7 %, что не приемлемо для ШПУ с точки зрения быстродействия и точности управления. Перерегулирование по каналу скорости составляет 3 %.
Задачу разработки системы управления скоростью сосудов ШПУ в режиме рекуперативного торможения можно сформулировать следующим образом: синтезировать структуру регуляторов, входящих в систему подчиненного регулирования координат, для улучшения динамических показателей качества электропривода ШПУ в режиме рекуперативного торможения.
Для синтеза регуляторов системы управления скоростью сосудов ШПУ с ПУМ алгоритмом управления в режиме рекуперативного торможения принята методика, разработанная для систем подчиненного регулирования координат [4]. Из этой методики следует, что контур момента и контур потокосцепления ротора асинхронного двигателя настраивается на технический оптимум, а контур скорости - на симметричный оптимум.
Оптимизация контуров регулирования системы управления электроприводом проводилась в три этапа.
На первом этапе осуществлён синтез регуляторов внутреннего контура системы управления электроприводом шахтной подъёмной установки с алгоритмом работы ПУМ без учета влияния внутренней обратной связи по упругому моменту нагрузки в соответствии со стандартной настройкой на технический оптимум. Управление каналами регулирования момента и потокосцепления ротора осуществлялось раздельно. Были применены линейные регуляторы вместо существующих релейных, что позволило снизить пульсации электромагнитного момента асинхронного двигателя.
На втором этапе выполнен синтез контура момента с учетом внутренней обратной связи по упругому моменту нагрузки.
402
■2000
1 1 1 ^рот
тт шин п 1 мэм ...
тт <
/ 1
м / зад Мфакт ив
10 20 30 40 50 60 70 8
Время, с
Рис.2. Переходный процесс в системе с ограничением момента при стандартной настройке
На третьем этапе проведен синтез внешнего контура с регулятором скорости (РС). Контур скорости настроен на симметричный оптимум. При настройке внешнего контура не учитывалось влияние внутренней обратной связи по упругому моменту нагрузки.
Оптимизация контуров регулирования позволила уменьшить величину перерегулирования по каналу скорости с 3 до 1%. Принцип раздельного управления каналами потокосцепления и моментом дал возможность уменьшить пульсации электромагнитного момента АД на 10 %.
На рис.3 представлен результат моделирования оптимизированной системы ЭП в режиме рекуперативного торможения.
Рис.3. Осциллограммы электромагнитного момента и скорости сосудов ШПУ при компенсации влияния жесткости канатов
На основании полученных результатов компьютерного моделирования сделан следующий вывод: предложенная методика поэтапного синтеза контуров регулирования системы управления электроприводом шахтной подъёмной установки позволила на первом этапе определить влияние внутренних возмущений и реакцию системы управления на влияние концевой нагрузки. Последующий этап синтеза с дополнительным введением внутренней положительной обратной связи по упругому моменту нагрузки дал возможность оптимизировать структуру системы управления, в результате чего пульсации электромагнитного момента сократились на 10%, величина перерегулирования по каналу момента уменьшалась в 2.33 раза по сравнению со стандартными настройками, а величина перерегулирования по каналу скорости уменьшалась с 3до 1%.
Список литературы
1. Козарюк А.Е. Прямое управление моментом в электроприводе переменного тока машин и механизмов горного производства. СПб.: СПГГИ (НИУ), 2008. 99 с.
2. Direct torque control - the world's most advanced AC drive technology. Technical guide No. 1. ABB [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://library.e.abb.com/public/14f3a3ad8f3362bac12578a70041e728/ABB Te chnical guide No 1 REVC.pdf. (дата обращения: 16.09.2017).
3. Ковчин С.А., Сабинин. Ю.А. Теория электропривода: учебник для вузов СПб.: Энергоатомиздат, 2000. 496 с.
4. Овсянников Е.М, НгуенКуангТхиеу. Система прямого управления моментом и потокосцеплением ротора асинхронного двигателя // Известия высших учебных заведений. 2011. №7. С. 27- 30.
Пугачёва Элла Емельяновна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, профессор, зав.кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Иванов Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Нусратов Пайрав Рухонидинович, канд. техн. наук, ассистент, [email protected], Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Букарев Андрей Александрович, аспирант, [email protected], Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет
DEVELOPMENT OF THE MODIFIED ELECTRIC MOTOR CONTROL SYSTEM OF THE MINE LIFT UNIT IN THE RECOVERY BRAKE MODE
E.E. Pugacheva, M.V. Stepanov, A.S. Ivanov,P.R. Nusratov
Increasing the energy efficiency of mine hoisting is one of the main tasks for saving electricity at the mine. The rigidity of the silo ropes is accompanied by the appearance of various oscillations in the elastic part of the mechanical system of the lifting installation, which negatively affects the dynamic quality indicators. Development of a modernized system for controlling the speed of blood vessels. Preventing the impact in the regenerative braking mode of the effect of the end load, which improves the dynamic performance of the drive.
Key words: electric drive of a mine hoisting installation, a regulative braking regime, a two-link frequency converter, an energy recovery unit, an elasticity former.
Pugacheva Ella Emelyanovna, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,
Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, head ofc-hair, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Ivanov Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, sibsiuprk@,gmail.com, Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,
Nusratov Payrav Ruhonidinovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,
Bukarev Andrey Alexandrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University
