Совершенствование регулировочных и

На правах рукописи
Шевченко Александр Николаевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕГУЛИРОВОЧНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КРАНОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НА ОСНОВЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА
Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара - 2007Работа выполнена в ОАО «Рудоавтоматика», Курская область, г. Железногорск
Научный руководитель:
-
доктор технических наук, профессор
Микитченко Анатолий Яковлевич,
ОАО «Рудоавтоматика», г. Железногорск
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
-
доктор технических наук, профессор
Кузнецов Павел Константинович,
Самарский государственный технический
университет
-
кандидат технических наук, доцент
Масляницын Александр Петрович,
Самарский государственный строительный
университет
-
Воронежский государственный технический
университет
Защита состоится «___» ________ 2007 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете по адресу г. Самара, ул. Молодогвардейская, д.244, Главный корпус, ауд. 200
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ.
Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим отправлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. д.244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04,
тел.: (846) 242-38-91, факс (846) 278-44-00, e-mail: [email protected].
Автореферат разослан «___» ___________ 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
Д212.217.04,
Кандидат технических наук, доцент
Е. А. Кротков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
2
Актуальность темы. Во всех отраслях народного хозяйства – в промышленности,
строительстве, на железнодорожном и водном транспорте и т.д. – широкое применение
находят грузоподъемные краны. С их помощью осуществляют перемещение разнообразных грузов в технологической цепи производства или строительства, выполняют ремонтно-монтажные работы с крупногабаритными агрегатами. В последнее десятилетия
производство грузоподъемных кранов, как и экономика России в целом, переживало серьезнейший спад. Значительная часть парка грузоподъемных кранов выработала свой ресурс и требует замены, капитального ремонта или модернизации. Возрождение промышленности требует кранов с новыми техническими возможностями, в том числе с более
жесткими требованиями к скорости посадки груза, плавности движения и диапазону регулирования. Например, погрузка на морские суда, погрузка тонкой электроники, подъем
и опускание замедлителей в реакторах атомной промышленности. В тоже время особое
внимание уделяется энергетическим характеристикам и рациональному выбору электрооборудования крана.
Анализ показывает, что имеется общемировая тенденция к переходу на переменный
ток. На российском рынке крановых электроприводов (ЭП) наблюдается засилие зарубежных производителей в этой области, поставляющих готовые решения. Большинство
российских компаний выполняют лишь роль посредников, осуществляющих инжиринговую привязку технических решений. В конечном итоге это приводит к монополии зарубежных компаний, которые диктуют свои принципы на рынке крановых ЭП. Лишь немногие российские компании прилагают усилия для реализации собственных проектов,
но в настоящий момент эти проекты в начальной стадии.
На данном этапе представляет интерес разработка и исследование отечественного
кранового регулируемого электропривода переменного тока.
Цель работы. Совершенствование регулировочных и энергетических показателей
крановых электроприводов на основе транзисторных преобразователей переменного тока.
Задачи исследований.
- исследование структур регулирования применительно к крановым ЭП, формулировка рекомендаций по выбору и настройке;
- исследование принципов управления и разработка цифровой системы управления
(задающего генератора), определение области ее применения;
- разработка и исследование датчика частоты вращения для тяжелых условий эксплуатации и большого сечения вала электродвигателя;
- исследование способов улучшения гармонического состава тока, питающего электродвигатель;
- исследование бездатчиковой структуры регулирования с обеспечением перегрузочной способности на низких частотах вращения во всех квадрантах и в режиме посадки груза.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы
математического анализа, теории электропривода, теории автоматического управления,
методы компьютерного моделирования и физического макетирования.
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена результатами экспериментальных исследований на физическом макете.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные
научные результаты:
3
- доказано, что релейный способ формирования тока позволяет получить синусоидальные токи электродвигателя в трехфазной системе релейного регулирования с тремя
контурами тока на базе трех релейных регуляторов, двух заданий на токи фаз, двух датчиков тока в диапазоне частот от 0 до 70 Гц;
- определены требования к разрядности и быстродействию микроконтроллера цифрового задающего генератора применительно к конкретным вариантам его использования;
- определены требования к разрешающей способности датчика частоты вращения, а
также к разрядности и быстродействию микроконтроллера преобразователя сигналов энкодера;
- показано, что при формировании магнитных зон датчика частоты вращения посредством n четных дискретных магнитов c индукцией не менее 100 мТл, встроенных в
немагнитный диск, расположенный на валу, по окружности с чередованием полярности и
полюсным делением не менее 10 мм, обеспечивается зазор между диском и считывающим блоком до 10 мм;
- доказано, что настройку IR- компенсации при выделении электродвижущей силы
(ЭДС) электродвигателя можно осуществлять по наличию колебательности амплитуды
потокосцепления статора;
- показана возможность обеспечения перегрузочной способности λ =2 при диапазоне
регулирования до 20:1 в режиме посадки груза без датчика частоты вращения.
Практическая ценность.
По материалам диссертации в ОАО «Рудоавтоматика» разработан комплект документации и изготовлены опытные образцы задающего генератора для формирования в
системах управления электроприводов синусоидальных заданий на токи фаз электродвигателя. Разработан комплект документации и изготовлен опытный образец датчика частоты вращения ДЧВ400 для тяжелых условий эксплуатации. Разработан комплект документации и изготовлены опытные образцы преобразователей датчика скорости для согласования различных энкодеров и систем управления электроприводов. На базе результатов работы ведется разработка системы управления вращателем и ходами бурового
станка СБШ250. Получено 5 актов о внедрении результатов работы в ОАО «Рудоавтоматика».
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты разработки программируемого цифрового задающего генератора на
базе микроконтроллера для электроприводов переменного тока с частотно-токовой системой регулирования с диапазоном задания частоты от 0 до 70Гц. Доказательство возможности определения амплитуд и модулей переменных электродвигателя. Требования к
его элементной базе из условий обеспечения необходимых показателей качества регулирования;
- результаты разработки датчика частоты вращения с зазором до 10 мм между вращающейся и неподвижной частями, позволяющего работать в тяжелых условиях эксплуатации при большом сечении вала электродвигателя. Требования к его разрешающей
способности из условий обеспечения необходимых показателей качества регулирования;
- результаты разработки устройства преобразования импульсов датчика частоты
вращения в аналоговый сигнал, требования к его элементной базе из условий обеспечения необходимых показателей качества регулирования;
- результаты исследования способа релейного формирования тока, позволяющего
получать синусоидальные токи с частотой от 0 до 70Гц в трехфазной системе координат
4
с тремя контурами тока на базе трех релейных регуляторов, заданий на токи двух фаз и
двух датчиков тока;
- доказательство возможности осуществления настройки IR- компенсации при выделении ЭДС электродвигателя по наличию колебательности амплитуды потокосцепления статора с погрешностью не выше 10%;
- предложенные датчиковые частотно-токовые структуры регулирования крановыми электроприводами с разработанными узлами, позволяющими регулировать скорость в
диапазоне до 100:1, а также алгоритм их настройки;
- разработанная структура бездатчикового электропривода, обеспечивающая ограничение момента и перегрузочную способность λ=2 при диапазоне регулирования до
20:1.
- разработанные программные обеспечения для цифрового задающего генератора,
преобразователя датчика частоты вращения, системы управления автономного инвертора
напряжения (АИН), реализующие предложенные принципы с заданной точностью.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- конференциях в г. Оренбурге [2], г. Магнитогорске [3], г. Новокузнецке [4, 5], г.
Екатеринбурге [6], г. Чебоксары [справка] в 2005-2007 г.
- на заседаниях научно-технического совета ОАО «Рудоавтоматика», г. Железногорск; кафедры робототехники ВГТУ, г. Воронеж; кафедры автоматизированного электропривода ГОУ ОГУ, г. Оренбург в 2003-2007 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ из них 1
в издании, рекомендованном ВАК РФ [1]. Получены 2 патента на полезную модель [7, 8]
и 2 свидетельства о регистрации программ [9, 10].
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х
глав, заключения, библиографического списка, включающего 117 наименований и 3 приложения. Работа изложена на 200 листах основного машинописного текста, содержит
157 рисунков и 29 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы работы на основе анализа спроса и
предложения на рынке подъемно-транспортного оборудования.
В первой главе приведена классификация подъемно-транспортного оборудования,
рассмотрены типовые крановые механизмы и выявлены требования к ним, проведен анализ систем управления крановых электроприводов. Сформулированы цель и задачи теоретического и практического исследований.
Несмотря на большое многообразие типов кранов, количество механизмов ограничено: механизмами подъема, передвижения и поворота. Часто при анализе динамических
процессов в механизмах подъема используют двухмассовую систему с массой mг поступательно движущихся частей (груза и каната) и массой mд вращающихся частей механизма. Упругая связь определяется жесткостью подъемных канатов с. Схема нагружения
механизма подъема представлена на рисунке 1. Максимальное значение силы натяжения
каната Tmax достигается при наличии слабины канатов. Величину Tmax согласно работам
Л. Б. Масандилова приближенно можно представить в виде:
5
T

G

V
max
r
д
2 cm
г,
(1)
mд
где Vд2 – скорость в момент отрыва груза от опоры.
В соответствии с данным выражением, основной путь
снижения динамических нагрузок механизма подъема уменьшение скорости в момент отрыва груза от опоры.
Для анализа динамических процессов в механизме пес
редвижения используется трехмассовая динамическая схема, представленная на рисунке 2. В данной схеме приведенная масса вращающихся частей механизма m1 соединяmг
ется с приведенной массой поступательного движущихся
частей m2 через упругую связь с коэффициентом жесткости
Рис. 1 – Схема нагружения
с12, который определяется жесткостью выходного трансмеханизма подъема
миссионного вала механизма. С помощью каната длиной L
к массе m2 подвешена приведенная масса груза
m2
m1
mг.
При работе механизма возникают колебания
в его металлоконструкциях и трансмиссионных
валах. Кроме того, происходит раскачивание
груза, который вместе с канатом длиной L обL
разует маятник с подвижной точкой подвеса.
Динамические нагрузки в упругих связях механизмах передвижения могут в 3-7 раз превыmг
сить статические нагрузки, а маятниковые коРис. 2 – Трехмассовая динамическая схема лебания груза вызывают неравномерное движение механизмов передвижения кранов или
механизма передвижения
тележек.
Максимальные нагрузки возникают в процессе пуска при наличии зазора в передачах. Максимальное значение момента упругости выражается в виде:
C
ω
2
Δ
M

M
(1

1

(12
)
)
12max
n
,
Ω
M
12
n
(2)
где Мn – пусковой момент двигателя; ωΔ – угловая скорость в конце выбора зазора; Ω12 – угловая частота собственных колебаний.
В соответствии с данным выражением основным путем снижения динамических
нагрузок является снижение скорости, при которой осуществляется выбор слабины каната и зазора.
При приложении к механизму передвижения постоянной силы возникают колебания подвешенного на канате груза, амплитуда которых пропорциональна ускорению механизма и длине подвеса каната. Наличие остаточных колебаний груза в конце переходных процессов осложняет процесс управления краном и затрудняет точную остановку
грузов. При отклонениях груза от положения равновесия к механизму передвижения
приложена еще и горизонтальная составляющая силы натяжения каната, что увеличивает
опасность проскальзывания ходовых колес механизма.
Динамические нагрузки, возникающие при пуске и торможении механизма поворота
аналогичны нагрузкам механизма передвижения. Поэтому для их ограничения используют аналогичные способы.
6
Рассмотренные требования к точности остановки, необходимости выбора слабины
канатов или зазора, а также обеспечению сцепления колес механизма передвижения с
рельсами определяют желаемые механические характеристики ЭП грузоподъемных машин (см. рисунок 3 и рисунок 4).
2ωном
ω
ωном
область
статических
нагрузок
ω
ωном
М
М
области
статических
нагрузок
-ωном
-2ωном
-ωном
Рис.4 - Требуемые механические характеристики электроприводов механизмов передвижения и поворота
Основные особенности желаемых характеристик – наличие устойчивых низких скоростей вращения и большой диапазон регулирования скорости. Существует большое количество систем управления (СУ) крановыми
механизмами. Анализ показывает, что распространенные релейно-контакторные системы
управления (РКСУ) переменного и постоянного тока имеют наихудшие регулировочные
и энергетические характеристики. Более приемлемыми в современных условиях являются тиристорные схемы с плавным управлением как на постоянном, так и на переменном
токе (тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока (ТП-Д), непосредственный преобразователь частоты – асинхронный двигатель (НПЧ-АД)). Однако энергетические показатели таких схем оставляют желать лучшего как с точки зрения использования электродвигателя из-за высших гармоник тока, так и со стороны использования
сети (низкий коэффициент сдвига cosφ). В наибольшей степени отвечают современным
требованиям транзисторные системы на базе АИН. На рынке РФ, несмотря на общую
политику импортозамещения наблюдается превалирование зарубежных производителей
преобразователей частоты, таких как Siemens, ABB, Schneider. Отечественные фирмы,
специализирующиеся на крановом оборудовании, например, ООО «Квазар» г. Чеборсары
производят оборудование устаревших систем, а производители преобразователей частоты, например, ТРИОЛ и ООО «ЭЛПРИ» в основном рассматривают вентиляторные и
насосные нагрузки. Кроме того, информация о современных направлениях по данному
вопросу разобщена и представляет собой коммерческую тайну.
Вторая глава посвящена разработке и исследованию элементов ЭП переменного
тока.
В работах Баранова Ю.М. было предложено построение системы управления по взаимно-ортогональным осям  и . Математическое описание процессов электромеханического преобразования энергии в этих осях характеризуется системой уравнений 3.
Рис.3 – Требуемые механические характеристики электроприводов механизмов подъемов
7
U

R

i

p

L

i

p

L

i
1

1
1

1
1

12
2

;
U

R

i

p

L

i

p

L

i
1

1
1

1
1

12
2

;
/
0

R

i

p

L

i

p

L

i



L

i



L

i
2

2

2
2

12
1

эл
2
2

эл
12
1

;
(3)
0

R

i

p

L

i

p

L

i



L

i



L

i
;
/
2

2
 2
2
 12
1

эл
2
2

эл
12
1

M

p

L
(
i

i

i

i
)
п
12
1

2

1

2

;
M

M
p
J

c

.
где U1i, i1i, i2i, ωэл, ω, М – переменные электродвигателя; R1, R/2∑, L1, L2, L12, J∑, рп параметры электродвигателя; Мс – статический момент; р – оператор Лапласа.
Им же предложено формирование синусоидальных заданий с помощью специального аналогового задающего генератора (ЗГ). ЗГ – это устройство, которое связывает СУ,
традиционно выполняемые на постоянном токе с системой регулируемых по амплитуде,
частоте и фазе вращающихся векторов (ЭДС, токов, потоков). В научной школе академика Ключева В.И., к которой принадлежит и наша научная группа, под названием ЗГ
подразумевается вся СУ, содержащая и регуляторы.
Формирование векторов в ортогональных осях позволило разделить управление активным током IA (значит моментом) и реактивным током Iµ (значит потоком). Оба эти
вектора вращаются в неподвижной системе координат α, β. Аналогично токам могут
вращаться и ЭДС. Задания IA, Iµ могут подаваться от регуляторов или независимо. Вектор ЭДС – со стороны регуляторов или обратных связей (ОС).
Существуют множество подходов к построению ЗГ: выделяют аналоговые, цифроаналоговые, цифровые. После анализа работ, сделанных в данном направлении, был разработан вариант, основанный на цифровой обработке каждого интервала синусоиды.
Для выявления требований к ЗГ были использованы основные показатели регулирования ЭП. На поле механических характеристик они выглядят следующим образом (см.
рисунок 5): Дω – отношение максимальной скорости к минимальной при выполнении
условия поддержания точности регулирования на нижней характеристике при изменении
момента от 0 до момента, соответствующего заданной перегрузочной способности.
fзг
ω
fКроме
max
того, имеет значение то, насколько плавно изменяется скорость в замкнутой
системе с изменением нагрузки, Δω
т.е.р сколько дискрет скорости имеется на всем
βзамее диапазоне изменения. Для формирования Δω
в замкнутых
ωср.mах СУ механической характеристики с зазам
данной жесткостью βзам и соответственно точностью поддержания скорости Δωзам, необходимо иметь m механических характеристик, задаваемых ЗГ, с жесткостью β р и точностью поддержания скорости Δωр, соответствующими разомкнутой
СУ. Дискрета чаДω
стоты
реализовать
ЗГ, можно определить по выражению:
Δω = Δω
min/m
Δf Δf, которую необходимо
(





р
βзам
m=2
р )
п

f
 Р
, Гц
(4)
2

m
Δωр
βзам
где рп – число пар полюсов электродвигателя.
ωср.min
Δω
min =(Δωр – Δωзам)
Δω
зам
Из выражения 4 следует, что, чем меньше отличается жесткость замкнутой СУ от
жесткости
к дискретности
ЗГ.
0 разомкнутой СУ, тем
Мм М
Мср
0
Uу выше требования
Требуемая максимальная частота выходного сигнала ЗГ составляет.
Рис. 5 – Связь показателей регулирования
ЭП
с параметрами
ЗГ
(


Д

2






)
p
ср
.
min

р
зам
f

.
(5)
max
2

Требуемая разрядность ЗГ по каналу частоты при двуполярном задании составляет.
8
f
мах
n

log

1
2
, бит

f
мах
(6)
доля ошибки в Sн,%
При построении новых систем возникает необходимость контроля за сигналами в
аналоговом виде. Это нужно с исследовательской точки зрения и для персонала предприятия при наладке. Для этого в ЗГ, разработан0,06
0,06
δ
ном на базе ОАО «Рудоавтоматика» с микро0,05
0,05
Гц
контроллером PIC18F452 с быстродействием 10
0,04
0,04
млн. операций в секунду, используются аналого0,03
цифровые преобразователи (АЦП) и цифро0,03
аналоговые преобразователи (ЦАП), которые
0,02
0,02
вносят определенные погрешности (см. рисунок
0,01
0,01
6). Первоначально при более простых подходах к
0
20
30
60
0 0 1010
20
30
4040
5050
7070 построению ЗГ выбросы погрешности в связи с
Гц
f, Гц
погрешностью округления, зависящей от быстроf
Рис.6 - Зависимость модуля ошибки от действия микроконтроллера, могли возникать
задаваемой частоты при частотном ре- внутри диапазона регулирования, что приводило
к явлениям в ЭП, похожим на
гулировании от 0 до 70 Гц
резонансные. Наличие погрешδ 16
ности приводит к появлению
%s14н
ошибки скорости Δω на входе
1212
fср.мах = 70Гц
регулятора скорости и выталки1010
ванию двигателя из режима холостого хода в генераторный
88
или двигательный режим. При66
fср.мах = 50Гц
чем воздействие ошибки с ро4
стом частоты усиливается.
4
2
TM
Исследования
показали,
fср.мах = 33Гц
20
S3
что большое
влияние на точ0
50
100
150
200
250
300
350
400
20
ность и работоспособность
ЗГ
C8
C2
0
50
100 150 Р,кВт
200 250 300 350 Р,кВт оказала величина
051номинального
8
F12
ST
Рис.7 – Доля погрешности в номинальном скольжении
в
Mips
(млн.опер/с)
R9 TC
зависимости от мощности электродвигателя и диапазо16
C8
на регулирования частоты
M
LP
M
6
150
AT
051
SP
C2
B9
скольжения sн, которая за91
F2
43
PI ds A
00 0F
C1
висит от мощности. Дело в том, что чем мощPI
V
C1
0
66
нее электродвигатель, тем жестче его разо- U
100
8F C R
мкнутая характеристика и тем в меньшей сте- В
КI=0,995
ST
пени ее отличие от замкнутой, а это вызывает
50
7
нарастание доли ошибки (см. рисунок 7). Вы- 10
ясненные обстоятельства заставили обратиться к изучению возможностей различных тиt,мс
0
32
16
24
00 8
пов микроконтроллеров (см. рисунок 8). ПриРис.8 – Сравнение микроконтроллемененные в работе микроконтроллеры пред-10
ров по быстродействию
ставлены в левых столбцах. В принципе имеются микроконтроллеры значительно более
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
9
Рис.9 – Осциллограмма сигнала сформированного ЗГ с частотой f=50Гц
быстродействующие, но в такой же степени более дорогие. В ходе работ над ЗГ получены синусоидальные сигналы с коэффициентом искажения тока не менее 0,99 (см. рисунок 9).
Если какое-то время назад в научных разработках существовало увлечение бездатчиковыми системами, то в настоящее время все большее количество исследователей
склоняется к необходимости его установки. Немалое количество фирм производят датчики на высоком профессиональном уровне с высокими техническими характеристиками
(HÜBNER Elektromaschinen AG, Kuebler, Johannes Huebner Fabrik elektrischer Maschinen
GmbH, ОАО «СКБ ИС» и др.). Поскольку основной вид деятельности ОАО «Рудоавтоматика» - это экскаваторный привод, то при разработке датчика частоты вращения (ДЧВ)
было направлено внимание на его безотказную работу в тяжелых условиях горной промышленности. Для того, чтобы иметь возможность получать информацию о частоте
вращения вала электродвигателя в тяжелых условиях эксплуатации при диаметрах вала
электродвигателя более 150мм, необходимо увеличить зазор между подвижной и неподвижной частями. Длительный поиск конструкций и их анализ позволили предложить
следующее решение.
Если магнитные зоны на подвижной части датчика частоты вращения сформировать
посредством n четных дискретных магнитов c индукцией не менее 100 мТл и расположить их на валу электродвигателя, по окружности с чередованием полярности и полюсным делением не менее 10мм (см. рисунок 10), то это позволяет обеспечить зазор между
магнитами и элементами Холла до 10 мм. Поэтому в отличие от всех разработанных и
эксплуатирующихся ДЧВ предложенный
2
1 датчик – необслуживаемый, так как не имеет трущихся поверхностей и зазор между
подвижной и неподвижной частями со4
ставляет 10 мм. Кроме того, он предназначен для установки на вал большого диаметра мощных электродвигателей. С таким
набором параметров аналогов не найдено и
3
получен патент на полезную модель.
При вращении вала электродвигателя
4 каждый магнит 1 при положительной по10м
лярности формирует на выходе элемента
м
Рис.10 – Конструкция датчика частоты вращения Холла, расположенного в неподвижной части 3 датчика, состояние логической единицы, при отрицательной полярности - нуля. В результате формируются серии импульсов с четкими границами, пропорциональные частоте вращения диска с магнитами. Разрешающая способность зависит от количества магнитов на подвижной части датчика и
количества элементов Холла на неподвижной части. Разрешающую способность можно
определить по выражению.
Gn  x, им/об
(7)
где n - количество магнитов на оборот, шт/об;
x – количество элементов Холла, шт.
Имеются разные подходы к организации принципа работы датчика. В результате
анализа был принят способ определения скорости из цифрового сигнала датчика по количеству импульсов поступивших за время выборки tв. Аналогично тому, как это было
1
0
сделано для ЗГ, параметры датчика частоты вращения были связаны с основными показателями регулирования ЭП (см. рисунок 11).
ω
m=2
UocРис. 11 – Связь требуемых показателейωрегулирования
ма
ЭП с параметрами ДЧВ
х
Требуемую
датчика частотыωвращения
можно опреUoc.max разрядность выходного сигнала
ср.mах
Δωзам
βзам
делить при двуполярном сигнале на выходе по выражению.

n

log
(
m
 мах
)

1
2
, бит


зам
(8)
Дω
Требование к точности передачи сигнала по скорости прямопропорционально
завиΔω
ДЧВ
сит от требований к точности поддержания частоты вращения в замкнутой СУ. С ростом
Δωзам требования к разрешающей способности
ΔUoc
мощности
электродвигателя увеличиваются
ωср.min
датчика частоты вращения. В отличие от ЗГ усиление требований происходит приβзам
приближении βзам к абсолютно жесткой характеристике.
Границей
устойчивости контура регулирования дискретной системы является
0
М
Мм соот0
ΔN=1 Nmax
Мср
N
ношение.
Тк.р. > 2 tв,
(9)
где Тк.р. – постоянная времени конVD2 тура регулирования, с.
VT8
И VT7
В VD1
Требуемую разрешающую способVD3
VD4
ность можно определить по выражению.
VT9
VT10
VD5
VT11
Iα
Iβ
Iдв
0
VD6
VT12
m
G



tв , имп/об
max
(10)
В данной работе под улучшением
энергетических показателей ЭП подразуС
мевается в первую очередь улучшение
энергетики электродвигателя. При его
К
VD7
VD8
IA
работе от статических преобразователей
Л
VT1
VT2 выходные напряжения и токи содержат
А
высшие гармонические составляющие. С
ДТ
IB
VD10 целью их уменьшения необходимо на
VD9
Л
выходе преобразователя формировать тоВ
VT3
VT4
ки с минимальным искажением относиДТ
тельно синусоиды. Для этого предлагаетIC
VD11
VD12
Л
ся использование транзисторного преобС
VT5
VT6 разователя с принципами релейного
формирования тока в системе рекуператор – автономный инвертор напряжения с
Рис.12 - Функциональная
релейным формированием тока нагрузки
схема преобразователя
– асинхронный двигатель (Р-АИН(Р)Кид = 0,99 АД
АД). Функциональная схема такого преt,мc образователя представлена на рисунке 12.
Преобразователь состоит из неуправляемого выпрямителя В; инвертора, ведомого
сетью И и коммутатора К, представляющего собой АИН. Коммутатор совместно с
Рис.13 - Осциллограмма тока электродвигателя в системе Р-АИН(Р)-АД
1
1
выпрямителем образует канал потребления, а с инвертором – канал рекуперации. Конденсатор С необходим для ограничения уровня напряжения, приложенного к транзисторам. Величина его емкости должна быть не менее 30 мкФ на 1 кВт мощности нагрузки.
Инвертор всегда работает в крайнем инверторном режиме и не регулируется в процессе формирования тока нагрузки. Выходные синусоидальные токи формируются
именно коммутатором. При этом коммутатор и инвертор работают независимо друг от
друга. Коэффициент искажения сформированного тока не менее 0.99 (см. рисунок 13).
В третьей главе проведен анализ структур регулирования ЭП применительно к
транзисторным ЭП переменного тока. Предложены и исследованы оригинальные структуры частотно-токового
Кос
РС
управления. Разработано
устройство, позволяюЗГ
щее исключить обратЗЗИ
f
Uз.f
BR
И
ную связь по скорости.
Δω
Uз.с
Предложена и исследоКf
ω
0 Uз.f Uз.т.α +
вана структура на его
iа
М основе применительно к
К
i1
iа
Uз.т.β
крановому транзисторному ЭП переменного
0 iμ
+Uп
тока.
iμ
Анализ структурных
схем скалярного и векторного управления и
Рис.14 – Функциональная схема ЧТУ регулирования с датчипредыдущие наработки в
ком частоты вращения и ЗЗИ
этой сфере сотрудникаКос
ми предприятия позволил остановить выбор на
ЗИ
РС
ЗГ
U
з.f
Δω
частотно-токовом
Uз.с
f
управлении (ЧТУ). В
Кf
BR
И
работе исследовались 2
ω
0 Uз.f Uз.т.α +
оригинальные
схемы,
iа ia
М применительно к транК
i
1
зисторным преобразова–
Uз.т.β
телям с рекуперацией
Д
+Uп
iμ о0 iμ
Δω = -0,02
л
Δω = +0,1
Δω = -0,05
я
Δω = +0,2
Рис.15 – Функциональная схема частотно-токовой
системы
регуп
n с датчиком частоты вращения
n
лирования
о
об/мин
Δω = 0
об/мин
г
Крс=91
р
Крс=20
е
500
500
ш
К
=10
рс
Крс=2
н
Крс=5,1
о
с
4
6 М, нмт
0
0
2
25
-50
-25
50 М, нм
и
Рис.17 – Механические характеристики при 1Крс
0
0
0
Рис.16 – Механические
характеристики
З
2
при разных значениях коэффициента Крс = 5,1 и различной добавке скольжения Δω для
Г
структуры рис.14
для структуры рис.14
(см. рисунок 14 и рисунок 15). Особенность состоит в том, что для управления преобразователем используются только токовые входы без обычной в таких системах связи по
ЭДС. Это стало возможным из-за способа управления, основанного на релейном регулировании с ОС, в отличие от широтноимпульсной модуляции (ШИМ). Схемы имеют следующие особенности: для первой - обязательно наличие зависимого задатчика интенсивности (ЗЗИ) и жесткие требования к точности Крс (см. рисунок 16); во второй – не
менее жесткие требования к линейности и симметрии ОС по скорости, а также независимый ЗИ.
Для снижения динамических нагрузок и исключения раскачивания груза ЗИ в обеих
структурах выполнен двухступенчатым.
Для структуры, представленной на рисунке 14, исследовано влияние добавки
скольжения Δω. При малых значениях Крс с помощью Δω можно получать характеристики аналогичные номинальному Крс (см. рисунок 17). Обе системы достаточно критичны к
настройке, но при качественной настройке обеспечиваются хорошие статические и динамические характеристики (см. рисунок 18).
Uрс
0
Uрс
0
ω
ОС0 UА
ОС Uα
Iс
3/2
0
I
ОСф UВ
ОС Uβ
0
ОС IА
ОС Iα
2
Иα
t,с
Еα
t,с
ω В некоторых случаях из-за тесноты поt,с
мещений
крановых установок встраивание
0
+Uсм
∫ Рис. Ψ ДЧВ
неприемлемо, поэтому воз0 Iоказывается
с
t,с
α
t,с
19см -U
никла
необходимость разработки бездатчиIф
Оссистемы ЭП. Для того чтобы исклю0
t,с ковой
∫ цилвращения,
используt,с
Еβ чить сигнал2по частоте
4
6
8
лоется
разработанный
датчик,
который
позвоt,с
4
6
8
Ψβ ляет одновременно косвенно следить за ЭДС
ОС IВ 3/2 ОС Iβ
грам
Иβ
а)
б)
мы
и
потокосцеплением
электродвигателя
Рис. 18 – Осциллограммы процесса реверса (а) и наброса номинальной нагрузки (б) исам(ДЭП). Функциональная схема представлена
Рис.19
– Функциональная
ДЭП частоты
следуемых
структур ЧТУсхема
с датчиком
вращения
плина рисунке 19. В принципе опционально он
туды
может следить за всеми потокосцеплениями:
статора Ψ1, намагничивания Ψµ, ротора Ψ2.
поМатематическое описание процессов электромеханического преобразования энергии через потокосцепления в осях α, βтохарактеризуется системой уравнений 12.
косL

R
L

R
2
1
12
1
U







p


1



1

;
21
22
цепL

L

L
L

L

L
1
2
12
1
2
12
леL

R
L

R
2
1
12
1
U
 2


ния



p


1

1


1

;
22
L

L

L
L

L

L
1
2
12
1
2
12
ста/
/
L

R
L

R
1
2

12
2
тора:
0
2






p






;
(11)
2

1

2

эл
2

2
L

L

L

L

L
аL
-1
1
2
12
2
12
/
/
при
L

R
L

R
1
2

12
2

0







p






;


2

эл
2

22
21
точL

L

L
L

L

L
1
2
12
1
2
12
ной
p
L
п
12
наст
M


(







)

2

1

2

;
2 1
L

L

L
1
2
12
ройM

M
p
J

c

.
ке
где Ψ1i, Ψ2i – потокосцепления
IR– статора и ротора в осях α, β.
компенса1
ции;
3
б–
С первичных датчиков напряжения и тока поступают сигналы напряжений и токов
фаз А и В электродвигателя ОС Ua,b, OC Ia,b. С помощью координатных преобразователей
3/2 определяются сигналы в ортогональных осях α, β ОС Uα,β, OC Iα,β.
Составляющие ЭДС в ортогональных осях α, β Еα, Еβ определяются из соответствующих сигналов напряжений и токов по выражениям.
dI
(
t
)
Е
(
t
)

U
(
t
)

I
(
t
)

R

L
i ,
i
i
i
dt
(12)
где i – ось α, β; L, R – индуктивность и сопротивление фазы нагрузки.
Составляющие потокосцепления статора в ортогональных осях α, β Ψ α, Ψβ определяются из составляющих ЭДС в этих же осях по выражению.

t
)

E
t
)
dt

С
i(
i(

.
(13)
где С – постоянная составляющая.
Для выделения потокосцеплений с целью уменьшения постоянной составляющей
используется интегратор без дрейфа нуля, имеющий в своей основе 2 интегратора с противоположными смещениями (см. рисунок 19).
Для того чтобы получить сигналы ЭДС и потокосцеплений высокого качества на
стороне постоянного тока, разработан способ выделения модулей и амплитуд на их базе
без пульсаций, возникающих при обычном выпрямлении. Сигналы с выхода ДЭП Еα, Еβ
и Ψα, Ψβ поступают в ЗГ для выделения соответственно амплитуд ЭДС и потокосцепления статора с помощью перемножения на соответствующие единичные косинусоиды. ЗГ
определяет амплитуду вращающегося вектора ЭДС, тока статора или потокосцеплений
электродвигателя из их синусоидальных составляющих в ортогональных осях  и  по
следующему выражению:
Х = Хα cos ωt + Xβ sin ωt ,
(14)
где Х – амплитуда искомого вращающегося вектора;
Xα, Xβ – составляющие вектора в ортогональных осях  и .
В результате работ над этим датчиком был выявлен простой способ установки параметров преобразования, без предварительной идентификации параметров электродвигателя. Оказалось, что настройку правильной компенсации сигнала ЭДС из напряжения
можно осуществить по виду сигнала потокосцепления в установившемся режиме. При
правильной настройке колебательность сигнала минимальная, а при пере- или недокомпенсации они одинаково расходятся (см. рисунок 20).
РE
Uз.с
ЗЗИ
ΨЗ
РП
Е
ЗГ
nКЕ
И
об/мин 1500
+
Uз.т.α
ДЭП
f
Δω
К
Uз.f
Кf
U
з.т.β
0 Uз.f
i
а
1000iа
i1 Еα
КΨ500
iμ 0 iμ Ψα Еβ
Ψβ
Ψ
АД
М, нм
Рис. 21-50– Функциональная
схема
частотно-токовой
си-20
25
50
1
стемы регулирования без датчика частоты вращения
Рис.22 – Механические характеристики в
бездатчиковой структуре регулирования
|Ψ|
о.е. Для организации ограничения момента используется
выход датчика по ЭДС. Связав
его с ЗЗИ аналогично структуре
на рисунке 14, в результате
можно
получить
простую
структуру (см. рисунок 21),
обеспечивающую форсировку
а)
тока намагничивания на низких
t
Рис.20 - Осциллограммы
амплитуды
скоростях при перегрузочной
IR–компенсации; б – при недокомп
способности λ = 2 и диапазоне
(20-30):1, достаточно редком
для систем с глубоким регули1
4
рованием скорости и резкопеременной нагрузке. Для сравнения на рисунке 22 приведена
характеристика 1 без форсировки. Она явно сужает перегрузочную способность и диапазон. Мало того, в принципе эта система позволяет получить характеристику, проходящую через начало координат, с такой же перегрузочной способностью. Однако следует
иметь в виду, что данные характеристики малых скоростей получаются при форсировке
тока и не могут использоваться длительно. На рисунке 23 приведены динамические характеристики макета ЭП хода мощностью 4кВт, выполненного по данной структуре.
Данный привод способен препятствовать перемещению крана при нулевом положении
командоконтроллера, при активной ветровой нагрузке или под уклоном. СУ через 2 - 3с
после остановки по управлению накладывает тормоза и снимает форсировки.
UРЕ
0
ω
0
UРΨ
В четвертой главе произведен анализ регулировочных, энергетических и стоимостных
t,c показателей типовых крановых ЭП. Рассматривается реализация результатов исследования.
Сводная таблица регулировочных показатеt,c лей систем, рассмотренных в главе 1, представТаблица 1
Система управления электропривода
Dω
1 с кулачковым контроллером
3:1
2 с магнитным контроллером
4:1
0
3 Тиристорный регулятор напряжения
10:1
t,c
– асинхронный
двигательреверсов
(ТРН-АД)
Рис.23
– Осциллограммы
в без4 Генераторструктуре
– двигатель
(Г-Д)
10:1
датчиковой
регулирования
5 Тиристорный преобразователь – дви- (10÷20):1
гатель (ТП-Д)
6 Непосредственный преобразователь (40÷60):1
частоты - асинхронный двигатель
(НПЧ-АД)
7 Автономный инвертор напряжения 100:1
асинхронный двигатель (АИН-АД)
лена в таблице 1.
Максимальные регулировочные возможности представляют системы с автономным инвертором
напряжения (АИН-АД), к которым
относятся и рассматриваемая разработка. Обычно при анализе энергетических соотношений в ЭП используется выражение для мощности на валу электродвигателя через
потребляемую мощность из сети
переменного тока:
Р

3

U

I

cos



, (15)
2
1
1
где U1 – напряжение сети; I1 –
ток фазы статора, потребляемый из
сети; cosφ – коэффициент сдвига
по первой гармонике; η – КПД
электродвигателя.
Следует отметить, что коэффициенты cosφ и η в процессе преобразования должны
трактоваться значительно глубже, чем коэффициент мощности по первой гармонике и
КПД только электродвигателя. Поэтому оценка энергетической эффективности систем
производилась для всех систем по суммарному коэффициенту, определяемому по выражению:
к

к

cos




к
ЭП
ид
м
,
(16)
где кI – коэффициент искажения тока сети; ηЭП - суммарный КПД электропривода;
кид – коэффициент искажения тока электродвигателя
Коэффициент мощности включает в себя:
1
5
к
к
cos

м
Iк
U
,
(17)
где кI – коэффициент искажения тока сети;
кU - коэффициент искажения напряжения сети.
Коэффициент искажения тока сети определяется по выражению:
кI 
I(1)
I
,
(18)
где I(1) – действующее значение 1-й гармоники тока;
I - действующее (среднеквадратичное) значение тока.
Коэффициент искажения напряжения сети определяется по выражению:
кU 
U(1)
U
,
(19)
где U(1) – действующее значение 1-й гармоники напряжения;
U - действующее (среднеквадратичное) значение напряжения.
КПД системы электропривода в целом ηЭП, определяется по выражению:





ЭП
д
пр
тр
,
(20)
где ηд - КПД электродвигателя; ηпр – КПД преобразователя; ηтр – КПД трансформатора.
Коэффициент искажения напряжения кU при условии мощного источника и синусоидальности питающего
к∑0,900
напряжения был принят
ТП-Д с ФКУ
для всех систем равным
0,800
1. Это справедливо, по0,700
тому что реальные знаНПЧ-АД с ФКУ
0,600
чения
коэффициента
AFE-АИН(ШИМ)-АД
обычно мало отличают0,500
ся от 1.
0,400
НУВ -АИН(ШИМ)-АД
В работе исследоваР -АИН(ШИМ)-АД
0,300
ны зависимости всех коР -АИН(Р)-АД
СД -Г-Д
0,200
эффициентов, представcosφ=0,9
0,100
ленных в выражениях
РКСУ ТП-Д
АД
-Г-Д
(15 ÷ 20) для
каждой
0,000
0
20
40
60
80
100
из рассматриваемых сиНПЧ-АД
ТРН-АД
D стем от диапазона регулирования и затем опреРис.24 – Зависимость суммарного коэффициента от диапазона
делены значения коэфрегулирования
фициента к∑. Зависимости коэффициента к∑ от диапазона регулирования D для различных систем представлены
на рисунке 24. По полученным зависимостям видно, что:
1) Системы с кулачковыми и магнитными контроллерами, ТРН-АД, НПЧ-АД, ТП-Д,
АД-Г-Д, обладают наихудшими энергетическими показателями;
2) Системы ТП-Д и НПЧ-АД при условии использования многоступенчатого ФКУ
являются одними из лучших по энергетике. Поэтому без ФКУ данные системы использовать в регулируемых приводах категорически не рекомендуется;
1
6
НУВ-АИН(ШИМ)
СД-Г-Д
-АД
Р-АИН(Р)-АД
НПЧ-3х АДР-АИН(ШИМ)-АД
3) Среди систем с АИН лидером является система передний активный фронт – автономНПЧ-2х АД
ный инвертор напряжения с ши2,00
ротноимпульсной модуляцией –
ФКУ
1,80
AFE
асинхронный двигатель AFE1,60
АИН(ШИМ)-АД.
ТП-Д
1,40
В работе проведен анализ
стоимостных показателей для
1,20
основных типов систем при
1,00
примерно одинаковой мощности
0,80
50 кВт. Сравнительные данные
0,60
по оценочной стоимости низковольтных
комплектных
0,40
устройств крана наиболее энер0,20
гоэффективных систем пред0,00
ставлены на рисунке 25. Полученные данные показывают:
Рис.25 - Сравнительная стоимость низковольтных ком1. Наибольшей стоимостью
плектных устройств различных систем мощностью 50 кВт
обладает система ТП-Д с ФКУ;
2. Минимальную стоимость среди систем с АИН и вообще среди всех рассмотренных имеют системы НУВ-АИН(ШИМ)-АД (НУВ - неуправляемый выпрямитель) и разработанная Р-АИН(Р)-АД. Однако неуправляемый выпрямитель не может обеспечить
рекуперацию энергии в сеть, что в условиях резкопеременной нагрузки, характерной для
крана, приведет к потерям энергии, потому что, как и в РКСУ, в этой системе необходим слив энергии в резистор. В разработанной системе Р-АИН(Р)-АД осуществляется
обмен энергией с сетью, следовательно данная система более выгодна по сравнению с
НУВ-АИН(ШИМ)-АД Исключением являются автономные краны, в которых нет опоры
на сеть и, следовательно, отсутствует необходимость рекуперации.
Р-АИН(ШИМ)-АД
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе получены следующие основные результаты:
- разработан и исследован программируемый цифровой задающий генератор для
электроприводов переменного тока с частотно-токовой системой регулирования, диапазоном задания частоты от 0 до 70 Гц, позволяющий определять амплитуду, модуль и фазу ЭДС, потокосцепления статора, активной составляющей тока и тока намагничивания
электродвигателя;
- разработан и исследован необслуживаемый датчик частоты вращения для тяжелых
условий эксплуатации и выходных валов большого диаметра с зазором между вращающейся и неподвижными частями до 10 мм и устройство для преобразования импульсного
сигнала датчика в аналоговый;
- предложен и исследован релейный способ формирования синусоидальных токов
электродвигателя в диапазоне от 0 до 70 Гц в трехфазной системе координат с тремя
контурами тока на базе трех релейных регуляторов, заданий на токи двух фаз и двух датчиков тока;
1
7
- предложена и исследована методика IR – компенсации при получении сигналов
ЭДС и потокосцеплений электродвигателя;
- предложены и исследованы частотно-токовые структуры регулирования крановыми электроприводами с разработанными датчиком частоты вращения и задающим генератором с диапазоном регулирования до 100:1, регулятор скорости в которых воздействует на частоту вращения электродвигателя и на активную составляющую тока статора, ток намагничивания задается постоянным и независимым от регулятора скорости;
- предложена и исследована структура бездатчикового электропривода, обеспечивающая при малых скоростях вращения вала и в режиме посадки груза перегрузочную
способность λ = 2 при диапазоне регулирования до 20:1.
- разработаны, опробованы, заявлены и внедрены программные обеспечения цифрового задающего генератора, преобразователя датчика частоты вращения, системы управления АИН (коммутатора), реализующие предложенные принципы с заданной точностью.
Основное содержание работы отражено в следующих публикациях
1.
Микитченко А.Я., Шевченко А.Н., Могучев М.В. Перспективы применения в
экскаваторах различных систем электропривода [Текст]// Горный журнал, №6, 2006. –
86-90;
2.
Шевченко А.Н. Микропроцессорное управление двигателем переменного тока [Текст]// Региональная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов. Часть 2. – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ. – 2005. – с. 212-213;
3.
Шевченко А.Н. Анализ потокосцеплений двухфазного АД. [Текст]// Электрические системы и комплексы. Межвузовый сб. науч. тр. Вып.12. Под ред. Лукьянова
С.И. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Носова Г.И.», 2006.- с.267-270;
4.
Микитченко А. Я., Шевченко А.Н., Носырев Д.Е. Встраиваемый датчик частоты вращения экскаваторного исполнения [Текст]// Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях: Труды Третьей Всероссийской научно-практической конференции. Под общей редакцией
Островлянчика В.Ю., Кунинина П.Н. – Новокузнецк: Издательство СибГИУ.- 2006. –
с.55-56;
5.
Микитченко А. Я., Шевченко А.Н., Носырев Д.Е. Трудности перехода систем
управления одноковшовых экскаваторов на переменный ток [Текст]// Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горнотопливной отраслях: Труды Третьей Всероссийской научно-практической конференции.
Под общей редакцией Островлянчика В.Ю., Кунинина П.Н. – Новокузнецк: Издательство СибГИУ.- 2006. – с.57-58;
6.
Микитченко А.Я., Могучев М.В., Шевченко А.Н. Выбор емкости конденсатора в звене постоянного напряжения двухзвенного преобразователя частоты [Текст]//
Электроприводы переменного тока: Труды международной четырнадцатой научнотехнической конференции. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007.- с.39-42;
7.
Патент на полезную модель 61482 RU, U1 Н02К 7/00. Датчик потокосцепления для систем управления электроприводом./ Микитченко А.Я., Могучев М.В., Шевченко А.Н. - №2006123781/22; заяв. 05.07.2006, опубл. 27.02.2007; Бюл. №6;
8.
Патент на полезную модель 55144 RU, U1 G01P 3/44. Датчик частоты вращения для систем управления экскаваторных электроприводов./ Микитченко А.Я., Шев1
8
ченко А.Н. и др. - №2006106611/22; заяв. 03.03.2006, опубл. 27.07.2006; Бюл. №21;
9.
Шевченко А.Н. Программа управления задающим генератором системы
управления электропривода переменного тока. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Заяв. №2007610604, 12.12.2006;
10.
Шевченко А.Н. Программа управления преобразователем датчика частоты
вращения для систем управления экскаваторных электроприводов. Свидетельство об
официальной регистрации программы для ЭВМ. Заяв. №2006611543, 16.05.2006;
Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором
лично. В работе [3] автором выполнены расчетная и экспериментальная части; в работе
[5] автором выполнена экспериментальная часть; в работах [4,6] автору принадлежит
аналитическая часть.
Разрешено к печати диссертационным советом Д.212.217.04
Протокол № 16 от 13.09.07
Подписано в печать 13.09.07. Формат 60х84 1/16
Бумага типографская №1.
Печать офсетная. Уч.-изд. лист 1.0. Тираж 100 экземпляров
Подразделение оперативной полиграфии ОАО «Рудоавтоматика»
307177, Курская обл., г. Железногорск, ул. Мира 1
1
9