Синтез и реализация эффективных алгоритмов управления комплексом бесконтактных электроприводов основных механизмов карьерного экскаватора

Одноковшовые карьерные экскаваторы предназначены для проведения горных работ при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом, а также при строительстве крупных гидротехнических, ирригационных и иных сооружений. Преобладающую часть парка (около 70%) составляют карьерные гусеничные экскаваторы-лопаты с объемом ковша от 5 до 20 м³. Эти машины применяются при разработке тяжелых скальных грунтов и добыче полезных ископаемых с погрузкой в транспорт. Для главных механизмов экскаваторов характерна цикличность работы при экстремальных механических нагрузках, в том числе ударных, которые носят случайный характер [26]. Движение ковша в забое отличается большой неравномерностью вплоть до полного стопорения при встрече с непреодолимым препятствием [99]. Главные механизмы экскаватора работают в режиме частых пусков, реверсов и торможений, количество которых может достигать 300 в час [98].

В настоящее время отечественные карьерные экскаваторы оснащаются, почти исключительно, электроприводом постоянного тока [10, 12, 65, 76]. Иностранные фирмы оснащают карьерные экскаваторы аналогичной конструкции и назначения преимущественно гидроприводом с первичным дизельным агрегатом. Это вызвано тем, что основными потребителями продукции инофирм являются слаборазвитые и развивающиеся страны, карьеры в которых, как правило, не электрифицированы. Электропривод за рубежом — в частности, фирмами Марион, Менк, Бюсайрус (США), а также Демаг (Германия) — применяется в основном для оснащения серий так называемых «скальных» экскаваторов [38]. При этом используются различные схемы электропривода, в частности, фирма Марион оснащает свои машины системой Г-Д постоянного тока.

Очевидно, что от качества работы экскаватора в значительной мере зависит эффективность работы всего горного предприятия. Поэтому к экскаватору, как с точки зрения производительности, так и с точки зрения энергетической эффективности, предъявляются весьма жесткие требования [63]. Такой комплекс качественных показателей может обеспечить только регулируемый электропривод специального исполнения.

Электроприводы главных механизмов большинства экскаваторов, находящихся ныне в эксплуатации в Российской Федерации, выполнены по системе СМУ-Г-Д (силовой магнитный усилитель — генератор — двигатель постоянного тока) [9, 10, 11, 12]. В последние десятилетия развитие экскаваторного электропривода шло главным образом по пути внедрения полупроводниковых статических преобразователей в систему возбуждения генераторов и двигателей постоянного тока. Первоначально это была система ТВ-Г-Д (тиристорный возбудитель — генератор — двигатель постоянного тока) [91]. В последние годы на смену тиристорным возбудителям пришли статические преобразователи на основе силовых транзисторных ЮВТ-модулей [21]. При этом на всех моделях экскаваторов (ЭКГ-5А, ЭКГ-6,3, ЭКГ-8И, ЭКГ-10, ЭКГ-12,5 ЭКГ-15) сохранялась базовая система Г-Д. Единственная серия карьерных экскаваторов-лопат, на которой использован электропривод ТП-Д (тиристорный преобразователь — двигатель постоянного тока) — это серия ЭКГ-20. Однако дальнейшего распространения схема ТП-Д в экскаваторных электроприводах не получила, т.к. уровень высших гармонических составляющих тока, появляющихся в карьерных сетях из-за одновременной работы большого количества силовых тиристорных преобразователей, оказался настолько высок, что встала необходимость массового применения громоздких и дорогостоящих фильтро-компенсирующих устройств.

Система Г-Д в составе экскаваторных электроприводов находится в эксплуатации на протяжении уже нескольких десятилетий, зарекомендовав себя достаточно эффективной и надежной в эксплуатации. Вследствие этого в определенных научных кругах сформировалось мнение, что электропривод постоянного тока для экскаваторных электроприводов является оптимальным. В то же время не следует забывать о весьма существенных недостатках таких систем. Прежде всего, это большая установленная мощность электрических машин в системе Г-Д. Само по себе это обстоятельство не является недостатком, но троекратное электромеханическое преобразование энергии приводит к заметному возрастанию потерь, т. е. к снижению КПД экскаватора. Кроме того, высокие механические и электромагнитные инерционности силовой части электропривода не позволяют полностью использовать сегодняшние возможности в управлении. Очевидно, что система СМУ-Г-Д уже давно морально устарела. Однако ее замена на схему Г-Д пусть даже с самыми совершенными системами возбуждения не приведет к кардинальным изменениям. Конечно, еще продолжительное время экскаваторы с электроприводами постоянного тока будут оставаться в эксплуатации. Одновременное обновление всего экскаваторного парка в России, по всей видимости, невозможно. Тем не менее, приведенные выше факторы заставляют уже сегодня искать новые пути построения электроприводов главных механизмов экскаваторов.

Одним из таких путей является использование для экскаваторных механизмов частотно-регулируемых электроприводов переменного тока. Широкое внедрение в экскаваторный электропривод систем переменного тока до недавнего времени сдерживалось невозможностью создания в приемлемых массах и габаритах достаточно надежных преобразователей частоты экскаваторной мощности. Появление на мировом рынке силовых IGBT-транзисторных модулей и IGCT-тиристорных модулей обусловило новые возможности по созданию силовой части преобразователей частоты. Неоспоримые успехи в развитии микропроцессорной техники открыли новые перспективы по построению систем управления частотным электроприводом переменного тока.

Современные преобразователи частоты выполнены, как правило, по схеме неуправляемый выпрямитель — автономный инвертор напряжения. Это обстоятельство отрицательно скажется на энергетической эффективности экскаваторных электроприводов. В то же время на основе той же элементной базы возможно построение управляемого выпрямителя. Сочетание такого выпрямителя со статическим инвертором в составе преобразователя частоты позволяет реализовать систему экскаваторного электропривода переменного тока, обеспечивающую все характерные для экскаваторов режимы работы.

К настоящему времени проведен большой объем работ по созданию электропривода переменного тока для главных механизмов карьерных экскаваторов, как в Российской Федерации, так и за рубежом. Среди них можно выделить работы Ключева В. И. [49, 50, 51, 52], Полинского М. Б. [80], Миронова J1.M., Микитченко, А .Я. [70], Сапельникова А. С., Березина В. В., Ольховникова Б. В. [74], Лисицына В. П. [65], Дружинина А. В. [41, 42], Бабенко А. Г. [8] и многих других. Интерес к экскаваторному электроприводу переменного тока проявляют также ведущие зарубежные фирмы. Так фирма ABB (Швейцария) предложила комплектные экскаваторные электроприводы переменного тока для машин средней мощности (с объемом ковша до 10 м3) [126]. Фирма Bucyrus-Erie (США) в 70-х годах прошлого века полностью перешла на частотно-регулируемый электропривод переменного тока по схеме «преобразователь частоты со звеном постоянного тока — асинхронный двигатель» для экскаваторов всех типоразмеров. В 1980 г. ими был выпущен экскаватор типа 395-В с электроприводом, выполненным по схеме неуправляемый выпрямитель — автономный инвертор напряжения с ШИМ-модуляцией — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором фирмы Siemens. При суммарной мощности приводов 3000 кВт рекуперация энергии не была предусмотрена. Энергия торможений выделялась в 60-ти ящиках резисторов, установленных на крыше экскаватора, вследствие чего система оказалась громоздкой и имела низкий КПД. В 2001 г. фирма ABB предложила Лебединскому горно-обогатительному комбинату проект модернизации электропривода экскаватора ЭКГ-8И, по которому каждый двигатель должен быть оснащен индивидуальным инвертором с ШИМ-модуляцией, получающим питание от общих шин постоянного тока. Звено постоянного тока связано с сетью через реверсивный управляемый выпрямитель на запираемых тиристорах (GTO) мощностью 1700 кВт и разделительный трансформатор 6,0 / 0,4 кВ, что обеспечивает высокий коэффициент мощности во всех режимах с возможностью рекуперации энергии в сеть.

Таким образом, совершенствование экскаваторных электроприводов переменного тока как в плане повышения эксплуатационной надежности и долговечности механического оборудования, так и в плане повышения энергетических показателей путем построения системы экскаваторных электроприводов как единого комплекса является задачей актуальной.

Главная идея работы состоит в использовании при построении комплексной системы экскаваторных электроприводов переменного тока современной силовой элементной базы и нового алгоритмического обеспечения микропроцессорной системы управления, обеспечивающей ограничение механических нагрузок и снижение потерь энергии как механической, так и электромагнитной природы.

Реализация главной идеи работы позволит создать рациональную систему экскаваторного привода переменного тока, что и явилось целью диссертационного исследования. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

— разработана математическая модель экскаватора как объекта регулирования в виде единой механической системы;

— обосновано применение в экскаваторном электроприводе системы ПЧ-АД с преобразователем частоты, выполненным по схеме активный выпрямитель — автономный инвертор;

— выполнен анализ энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии в такой системе;

— обоснован выбор алгоритма частотного управления бесконтактным электроприводом главных механизмов карьерного экскаватора с целью обеспечения максимальной производительности и улучшения динамических характеристик.

При проведении теоретических исследований были использованы аналитические методы теории электропривода [5, 29, 54, 106, 107] и теории автоматического регулирования [15], а также численные методы решения систем дифференциальных уравнений и методы математического моделирования в среде MATLAB [31, 83, 116]. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных макетах элементов системы.

Научная новизна работы состоит в том, что в процессе диссертационного исследования были получены следующие результаты.

— Разработана математическая модель экскаватора как единой электромеханической системы. Для подтверждения адекватности модели реальному объекту была реализована модель с электроприводами главных механизмов, выполненными по системе СМУ-Г-Д постоянного тока. Сопоставление результатов расчета и эксперимента показали их удовлетворительную сходимость.

— На основании разработанной модели создана модель экскаватора с электроприводами главных механизмов переменного тока с короткозамкнуты-ми асинхронными двигателями.

— Разработаны системы управления экскаваторными электроприводами переменного тока с алгоритмом векторного управления и с алгоритмом прямого управления моментом. При сопоставлении результатов моделирования предпочтение отдано системе с прямым управлением моментом.

— Создана методика расчета системы регулирования экскаваторным электроприводом с нелинейными регуляторами переменных состояния.

В прикладном плане новизна работы состоит в том, что разработана система управления асинхронным регулируемым электроприводом подъема, напора и поворота экскаватора на базе полупроводникового преобразователя частоты по схеме «активный выпрямитель — автономный инвертор напряжения» с системой автоматического управления, реализующей алгоритм прямого цифрового управления моментом. Для этого разработан алгоритм управления преобразователем частоты по схеме активный выпрямитель — автономный инвертор напряжения применительно к экскаваторным приводам и выполнено теоретическое исследование средствами математического моделирования энергетических соотношений в электроприводах главных механизмов при выполнении расчетного цикла экскавации грунта.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем.

— Предлагаемая система электропривода с реализацией алгоритма прямого управления моментом позволяет получать экскаваторный электропривод, имеющий удовлетворительные динамические показатели.

— Разработанная система микропроцессорного управления для комплекса электроприводов главных механизмов одноковшовых карьерных экскаваторов позволяет программными средствами адаптировать систему к любому из главных механизмов экскаватора.

— Разработанная инженерная методика расчета регуляторов систем управления реализует алгоритм прямого управления моментом двигателя.

Результаты исследований использованы при выполнении хоздоговорной работы между кафедрой ЭиЭМ СПГГИ (ТУ) и ОАО «Электросила» в 2002 г.

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и получили положительную оценку на II Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» в г. Новочеркасске, на XXX юбилейной неделе науки в СПбГТУ 26 ноября — 1 декабря 2001 г. в г. Санкт Петербурге, а также на ежегодных конференциях молодых ученых в СПГГИ (ТУ) 2000;2002 гг.

5.4. Выводы.

— Широкое внедрение силовой полупроводниковой преобразовательной техники во все отрасли промышленности, включая и горную, вызывает необходимость искать новые пути к решению задачи энергосбережения.

— Существующие на сегодняшний день системы фильтрации напряжения весьма затруднительно реализовать в электроприводах большой мощности.

— Создание качественно новых систем электроприводов возможно только на основе новых научно-технических решений.

— Для обеспечения энергосбережения и улучшения качества электроэнергии при эксплуатации электроприводов необходимо внедрение новых систем управления. Одним из вариантов таких систем является активный выпрямитель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе содержатся научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для повышения эффективности работы экскаваторных электроприводов. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Для экскаваторных электроприводов переменного тока целесообразным является применение системы ПЧ-АД с использованием статических преобразователей частоты, построенных по схеме «активный выпрямитель — автономный инвертор напряжения».

2. Алгоритм управления экскаваторного электропривода — универсальный и позволяет без изменения принципиальной схемы адаптировать систему к любому главному механизму (подъем, напор, поворот и ход), путем перепрограммирования контроллера.

3. Использование выпрямителя с активным передним фронтом позволяет улучшить энергетические характеристики и реализовать специфические режимы работы экскаваторного электропривода, в частности, обеспечить режимы рекуперативного торможения электроприводов. Коэффициент нелинейных искажений может быть обеспечен в пределах (3+5)%, а коэффициент мощности (0,95+0,98), что подтверждается эксплуатационными испытаниями экскаваторов с электроприводом фирмы Siemens.

4. Методика аналитического определения параметров системы DTC электроприводов главных механизмов экскаватора позволяет осуществлять квазиоптимальную настройку систем по быстродействию и качеству переходных процессов при сохранении требуемой перегрузочной способности электроприводов 250% от номинального электромагнитного момента.