7. СПЕЦВОПРОС


7. Автоматизированный электропривод – Спец. Часть
Модернизация электропривода подъемной установки дренажной шахты
Шахтные подъемные установки шахт и рудников служат для подъема на поверхность полезного ископаемого и породы, а также для спуска/подъема людей и груза. От надежной бесперебойной и производительной работы шахтного подъема зависит работа всей шахты в целом, поэтому к подъемным установкам предъявляют особые требования в отношении надежности и безопасности работы. Фактический срок службы подъемной установки, как правило, совпадает со сроком службы горного предприятия, однако для сохранения конкурентоспособности продукции, горнодобывающее предприятие обязано постоянно совершенствовать не только технику и технологию добычи полезных ископаемых, но и другие технологические звенья, среди которых подъемная установка является наиболее значимым.
В данном разделе рассмотрено применение частотно-регулируемого электропривода с векторной системой управления, которая обеспечивает формирование оптимальных динамических процессов в подъемной установке.
Характеристики подъемной установки и обоснование выбора электропривода
Современное состояние развития регулируемого электропривода подъемной установки
Для подъемных машин в основном применяют два типа привода: от асинхронного электродвигателя с фазным ротором и от двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Наибольшее распространение для привода подъемных установок получили асинхронные электродвигатели с фазным ротором и релейно-контакторной аппаратурой.
Асинхронный электропривод бывает однодвигательными двухдвигательным. Мощность однодвигательного асинхронного привода подъемных машин ограничивается величиной 1250 кВт, а двухдвигательного (мощности асинхронных электродвигателей одинаковы) - 2500 кВт. При большей мощности применяют только электропривод постоянного тока. Такое ограничение мощности привода с асинхронными электродвигателями определяется коммутационной способностью контакторов в силовых цепях.
Основными преимуществами привода с асинхронными электродвигателями являются простота и надежность его в эксплуатации, сравнительно небольшая стоимость, возможность включения двигателя непосредственно в трехфазную сеть переменного тока без промежуточных преобразователей энергии.
Асинхронный электропривод имеет ряд существенных недостатков. Регулирование скорости здесь происходит путем включения в цепь ротора дополнительных резисторов. Это сопровождается значительными потерями энергии, особенно при движении на пониженной скорости. Асинхронный электропривод имеет низкий коэффициент мощности: на скиповых подъемах он составляет 0,6 - 0,65, на клетевых - 0,35 - 0,5 (в зависимости от особенностей диаграммы скорости). Невысокие регулировочные свойства, связанные со ступенчатым изменением скорости асинхронного электродвигателя, затрудняют автоматизацию подъемных установок.
В последние годы, в связи с развитием полупроводниковой техники, для привода подъемных установках начинает применяться частотно-регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем. По своим регулировочным характеристикам он подобен электроприводу постоянного тока. Однако в отличие от электропривода постоянный частотно-регулируемый электропривод имеет меньшие эксплуатационные расходы, так как отпадает необходимость в уходе за коллекторно-щёточным узлом.
Асинхронный привод с реостатным управлением
В настоящее время на Лебединском ГОКе для привода подъемной установки широко применяется асинхронный привод с реостатным управлением.
Основными элементами схемы управления асинхронным электроприводом являются (рис. 1.1): асинхронный двигатель М, контакторы К1 и К2, выключатель QF, добавочный металлический резистор в цепи ротора, контакторы К3 – К11, система автоматического управления САУ, тахогенератор ТГ, сельсинный командоаппарат КА и профильный диск ПД, блок программирования БПМ аппарата АЗК-1, контактор K12 и блок динамического торможения БДТ.
Профильным диском ПД задается скорость подъемного сосуда в функции пути, а тахогенератор ТГ измеряет действительное значение скорости . Сигналы задания скорости и обратной связи по скорости подаются на вход САУ, которая выдает команды на переключение контакторов К1 и К2, К12, КЗ – K11. В результате этих переключении и при участии регулируемого механического тормоза формируется действительная диаграмма скорости подъемного сосуда.
В соответствии с диаграммой скорости рассмотрим последовательно основные принципы автоматического управления асинхронным электродвигателем при пуске, движении с установившейся скоростью, торможении, движении на пониженной скорости.
1. В процессе загрузки подъемного сосуда двигатель заторможен с помощью предохранительного и рабочего тормозов. По окончании загрузки подается сигнал на включение контактора К1 или К2. Если все блокировочные цепи замкнуты и включен выключатель QF, то срабатывают контакторы K1 или К2. После включения этих контакторов будут подняты тормоза и начнется пуск машины. Пуск начинается с включения двигателя с полным сопротивлением в цепи ротора. Далее автоматически происходит последовательное закорачивание ступеней пускового резистора силовыми контактами контакторов К3 – К11. Пуск продолжается до полного закорачивания пускового резистора в цепи ротора.
При релейно-контакторной схеме управления происходит ступенчатое изменение пускового момента, что вызывает значительные динамические нагрузки в элементах подъемной машины, ускоряет изнашивание канатов и редукторов. Для повышения плавности пуска необходимо увеличить число пусковых ступеней. Поэтому в схемах управления пуском асинхронного двигателя используется пять-восемь ступеней металлических резисторов.
2. После окончания пуска электродвигатель работает с полностью выведенным реостатом на своей естественной характеристике до тех пор, пока не будет подан импульс на снижение скорости.
3. Сигнал на начало замедления подается этажными выключателями аппарата АЗК-1, отключающими электродвигатель от сети. В цепи ротора полностью включается пусковое сопротивление, срабатывает контактор К12 и в статор двигателя подается постоянный ток, создающий тормозной момент. В режиме торможения на вход САУ подаются сигналы задания скорости от сельсинного командоаппарата и обратной связи от тахогенератора. Это позволяет обеспечить точное выполнение диаграммы скорости при замедлении привода.
4. На участке торможения необходимо поддерживать постоянное замедление, т.е. в процессе торможения двигатель должен развивать постоянный тормозной момент. При реализации этого закона при постоянном сопротивлении в цепи ротора с уменьшением скорости увеличивается ток в обмотке статора. При снижении скорости до значения, когда ток в статоре достигает предельно допустимого значения, срабатывает реле K13 (см. рис. 1.1), контролирующее ток при динамическом торможении, и включает контактор К3, который отключает первую ступень резистора в роторной цепи. Отключение ступени резистора приводит к уменьшению тока статора, и якорь реле K13 отпадает. Далее с уменьшением скорости ток статора вновь начинает возрастать, срабатывает реле K13, включается контактор К4, закорачивая вторую ступень резистора, и т.д.
5. При достижении скорости дотягивания выходное напряжение ТГ станет меньше напряжения отпускания реле скорости К14, и реле скорости отключается. Это приводит к разрыванию цепи динамического торможения, выключению контакторов К3 – K11 и включению контакторов K1 или К2. Двигатель подключается к сети с полным добавочным сопротивлением в цепи ротора. Начинается процесс дотягивания – движение с пониженной скоростью. Получение требуемой скорости дотягивания здесь осуществляется совместной работой асинхронного электродвигателя и рабочего тормоза. Это достигается с помощью регулятора давления, обмотка электромагнита которого подключается на выход элемента сравнения действительной и заданной скоростей (в виде напряжений, снимаемых с ТГ и КА). Это позволяет регулировать тормозное усилие рабочего тормоза и тем самым поддерживать требуемую скорость дотягивания.
6. В конце пути срабатывают конечные выключатели, что приводит к отключению электродвигателя от сети и стопорению подъемной машины механическим тормозом.
Такой привод обладает малыми капитальными затратами, относительной простотой обслуживания, возможностью использования электрической энергии из общепромышленной сети без какого - либо преобразования, малыми затратами времени на восстановление при отказе оборудования.
8299457576
Рис. 1.1. Схема управления асинхронным электродвигателем с фазным ротором
Однако данному виду электропривода присущи многие недостатки, основными из которых являются:
Низкий коэффициент полезного действия из-за значительных потерь мощности в цепи ротора, соответственно, неэффективное расходование электрической энергии;
Невозможность построения замкнутых систем автоматического управления, следовательно, неудовлетворительная управляемость;
Практически все подъемные установки с асинхронным приводом с реостатным управлением в цепи ротора управляются оператором подъемной установки вручную, при этом присутствует и играет большую роль человеческий фактор, который в 90% случаев является причиной аварий на подъемных установках.
Основным критерием выбора системы электропривода подъемной установки является технико-экономическое сравнение различных вариантов.
Основными показателями для сравнения различных систем являются:
капитальные затраты на электрооборудование (стоимость оборудования, стоимость энергозатрат, стоимость монтажа оборудования, габаритные размеры и вес оборудования);
эксплуатационные данные (установленная мощность привода, коэффициент полезного действия, коэффициент мощности, надежность системы привода, простота и доступность обслуживания, стоимость обслуживания, стоимость ремонта и т.д.);
энергетическая эффективность (установленная мощность привода, коэффициент полезного действия, коэффициент мощности, влияние на питающую сеть);
управляемость системой привода (точность поддержания заданной скорости, диапазон регулирования скорости).
Все вышепредставленные недостатки показывают, что в настоящее время асинхронный электропривод с реостатным регулированием скорости шахтных (рудничных) подъемных установок не отвечает требованиям, предъявляемым к управлению подъемной установкой, что значительно сдерживает автоматизацию режимов работы, а тем самым увеличивает эксплуатационные затраты за счет неэффективного расходования электрической энергии. Также следует заметить, что контакторное управление двигателем не может обеспечить достаточную плавность переключений, следовательно, возникают броски тока в обмотках двигателя при коммутационных переключениях. Помимо этого, подбор механических характеристик двигательного и тормозного режимов двух электродвигателей и выход на результирующую механическую характеристику системы электропривода осуществляется с помощью коммутационных переключений добавочных сопротивлений (резисторов), поэтому механические характеристики носят дискретный характер.
При всех недостатках асинхронный привод с реостатным управлением широко применяется на малозагруженных клетьевых подъемах и вспомогательных стволах.
Схема и описание системы электропривода ПЧ-АД
Постоянное совершенствование силовой преобразовательной техники и ее унификация ведут к уменьшению стоимости преобразователей и снижению капитальных затрат на установку. Существенно улучшаются технико-экономические показатели, а также происходит обеспечение желаемых динамических режимов, возможность реализации сложных законов управления программным путем, связь с системами управления высшего уровня.
Специфика управления двигателем с использованием преобразователя частоты заключается в том, что при регулировании скорости изменением частоты возникает необходимость регулирования амплитуды питающего напряжения, которое определяет величину магнитного потока, максимального момента и жесткость механических характеристик двигателя.
В настоящее время существует несколько разновидностей преобразователей частоты, нашедших применение в приводах подъемных установок:
преобразователь частоты с непосредственной связью (НПЧ);
преобразователь частоты со звеном постоянного тока (двухзвенный преобразователь).
Кроме того, преобразователи частоты со звеном постоянного тока подразделяются на преобразователи с автономным инвертором напряжения (ПЧ-АИН) и автономным инвертором тока (ПЧ-АИТ).
Современные статические преобразователи частоты, используемые для регулирования скорости двигателя подъемной установки, подразделяются на три вида с различными внешними характеристиками. Первый выполнен на основе системы автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией (АИН-ШИМ) и обладает свойствами источника напряжения; второй обладает функциями источника тока и выполнен на основе автономного инвертора тока. Кроме представленных выше преобразователей, выполненных с использованием промежуточного звена постоянного тока, в современной практике также находят применение преобразователи частоты с непосредственной связью (НПЧ). Особенностью данного вида преобразователей является отсутствие промежуточного преобразования энергии.
Наиболее широкое распространение среди статических преобразователей частоты, использующихся для подъемного оборудования, занимают преобразователи частоты компаний "Allen-Bradley" (Канада), "Siemens" (Германия), "ABB" (Финляндия), "Mitsubishi Еlectric" (Япония), "ESTEL+" (Эстония), СП «Триол» (Россия – Украина), ОАО "Электровыпрямитель" (Россия).
Кроме двигателей переменного тока в качестве электроприводов подъемных установок широкое распространение получили и двигатели постоянного тока. Основные теоретические положения по созданию и исследованию подъемных систем с использованием двигателей постоянного тока разработаны учеными А.Д. Динкелем, В.Е. Католиковым, А.М. Седуниным, В.С. Тулиным.
Использование машин постоянного тока в качестве электропривода подъемных установок обусловлено определенными достоинствами, связанными как с двигателем, так и с использованием современных систем регулирования скорости двигателя постоянного тока.
Широкое применение системы «тиристорный преобразователь – двигатель» (ТП-Д), связанно со следующими достоинствами:
использование простых и экономичных преобразователей энергии (выпрямителей);
разработка и использование двигателей постоянного тока специального исполнения, разработанные конструкторами для работы с тиристорным преобразователем;
высокие эксплуатационные качества преобразователей – гибкость настройки, простота наладки, надежность в работе;
высокая степень унификации преобразователей;
возможность формирования оптимальной диаграммы скорости подъемной установки, обеспечивающей максимальную производительность при условии ограничения допустимого уровня динамических нагрузок в элементах системы.
Основные преимущества системы привода подъемной установки, выполненного по системе ТП-Д, заключаются в высокой степени быстродействия системы, получении заданных характеристик движения, высокой точности управления.
Помимо преимуществ у данной системы имеется ряд существенных недостатков:
привод по системе ТП-Д подъемных установок характеризуется малым значением коэффициента мощности. Так, на скиповых подъемных установках коэффициент мощности составляет порядка 0,6 – 0,65, а на многогоризонтных клетевых подъемных установках коэффициент мощности составляет не более 0,35. Для улучшения cosφ необходимо применять дополнительное оборудование;
привод по системе ТП-Д подъемных установок характеризуется недостатками, связанными с влиянием на питающую сеть. При пуске привода по системе ТП-Д возникают толчки реактивной энергии и падение напряжения питающей сети из-за жесткого соединения привода с сетью. Повторяющиеся и неконтролируемые во времени пуски нескольких приводов подъемных установок увеличивают падение напряжения питающей сети, следовательно, возможны колебания напряжения, превышающие нормы ГОСТа;
высшие гармоники негативно воздействуют на других электропотребителей, следовательно, необходима дополнительная установка фильтро-компесирующих устройств.
В современной практике прослеживается общее стремление к созданию упрощенных кинематических схем шахтных (рудничных) подъемных установок, что привело к созданию индивидуального безредукторного, низкоскоростного электропривода. Несмотря на повышенные массу и габариты двигателя, применение безредукторного привода оправдывается большей надежностью и быстродействием системы.
Ведущую роль в безредуктороном низкоскоростном приводе играют синхронные электродвигатели, а также двигатели постоянного тока.
При выборе между редукторным и безредукторным приводом подъемной установки необходимо учитывать некоторое увеличение капитальных затрат при использовании безредукторного привода, и значительно улучшенные эксплуатационные показатели. Это позволяет рекомендовать безредукторный привод для большинства подъемных установок с мощностью большей 1000 кВт.
Анализ схем электропривода подъемных установок позволяет дать рекомендации по применению той или иной системы в зависимости от мощности и назначения подъемной установки.Исходя из анализа данных, а также достоинств и недостатков различных систем электропривода подъемных установок, наиболее полному выполнению соответствующих требований, предъявляемых к электроприводам современных подъемных установок, отвечают системы тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока. Учитывая применение асинхронного электродвигателя в приводе подъема Лебединского ГОКа в работе выбрана система ПЧ-АД. Это позволяет ни менять электродвигатель, что уменьшает капитальные затраты на модернизацию электропривода подъемной машины.
Описание схемы ПЧ-АД приводас векторной системой управления
Электрический привод – электромеханическое устройство, предназначенное для электрификации и автоматизации рабочих процессов, состоящее из преобразовательного, электродвигательного, передаточного и управляющего устройств.
Наиболее простым, дешевым и надежным электрическим двигателем является короткозамкнутый АД, поэтому его использование в регулируемом электроприводе представляет собой особый интерес. Как было установлено, возможности регулирования, аналогичные возможностям изменения напряжения на якоре ДПТ, в асинхронном электроприводе можно обеспечить путем изменения частоты напряжения и тока статорной обмотки. Для реализации этих возможностей необходимо осуществлять питание статорной обмотки двигателя от управляемого преобразователя частоты.
Для частотного регулирования угловой скорости необходимы источники трехфазного тока с регулируемой частотой, к числу которых относятся статические преобразователи частоты.
Структурная схема электропривода по системе ПЧ-Д (Рис.1.2.) представляет собой сочетание выпрямителя 1, автономного инвертора 2, блока управления 3 и АД с к.з. ротором 4.

Рис.1.2. Структурная схема электропривода по системе ПЧ-Д
Эта система обеспечивает наилучшие показатели регулирования: скорость может варьировать в пределах (0.05-2) ω0, а механические характеристики аналогичны механическим характеристикам привода по системе Г-Д.
По сравнению с электроприводом постоянного тока ЭП переменного тока имеет следующие преимущества: надежность, простота, относительная дешевизна двигателя, не требующего постоянного обслуживания (нет коллекторного узла), что позволяет значительно снизить затраты на эксплуатацию двигателей; высокая электрическая надежность; цена комплекта "преобразователь частоты – асинхронный двигатель" сопоставима со стоимостью "тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока".
Для преобразователей частоты характерен высокий уровень эргономики и ремонтопригодности, а также малое время восстановительных работ (ремонт производится в основном путем замены блоков), что является весьма существенным в связи с эксплуатацией БУ вдали от ремонтных баз. Важным достоинством является, также, унификация схем ЭП, конструкции элементов, функциональных узлов и блоков регулирования преобразователей. Из этого следует, что частотно-регулируемый ЭП является наиболее перспективным для буровых установок геологоразведочного бурения.
Внедрению частотно-регулируемого ЭП должны предшествовать расчеты, показывающие величину экономии энергии и эффективность такого способа энергосбережения. Для проведения подобных расчётов необходимо иметь соответствующие математические модели и основанные на них методики исследования частотно-регулируемого ЭП.
Системы векторного частотно-токового управления асинхронным электроприводом
Система векторного управления асинхронным ЭП в наиболее общем случае должна решать задачи регулирования и стабилизации момента и скорости двигателя.
Формирование момента АД возможно за счет воздействий на абсолютные значения координат вектора потокосцепления ротора .
При стабилизации потокосцепления ротора (2 =const) механические характеристики АД подобны характеристикам ДПТ. Поэтому для частотного регулирования АД рекомендуется система векторного управления, реализующая стабилизацию потокосцепления ротора. Векторная диаграмма в системе координат x, y при ориентировании потокосцепления ротора приведена на рис.1.3.

Рис.1.3. Векторная диаграмма
Подобная система векторного управления (система Transvektor) впервые предложена фирмой Siemens (ФРГ). Система имеет два внешних контура регулирования – модулем вектора потокосцепления ротора 2и угловой скорости ротора, а также два подчиненных им внутренних контура регулирования составляющих тока статора I1x и I1yв осях x и y ортогональной системы координат, вращающейся с синхронной скоростью 0элполя двигателя. Система осуществляет независимое регулирование модуля вектора потокосцепления ротора и скорости ротора при сохранении прямой пропорциональности между моментом двигателя и составляющей намагничивающей силы статора, находящейся в квадратуре с волной потокосцепления ротора (рис.1.4).

Рис.1.4. Функциональная схема системы векторного управления АД
Система управления состоит из трех крупных блоков: блока вычисления текущих значений переменных БВТП, блока регуляторов переменных БРП и блока вычисления заданных значений переменных – управляющих воздействий БВЗП. Рассмотрим назначение измерительного блока БВТП.
Для того чтобы вычислить амплитуду и фазу переменной трехфазного двигателя, достаточно измерить мгновенные значения этой переменной в двух фазах двигателя. Блок БВТП преобразует измеренные с помощью датчиков Холла трехфазные мгновенные значения потока в воздушном зазоре и (в современных системах данные значения вычисляются косвенно, без установки датчиков Холла), и измеренные с помощью датчиков тока действительные трехфазные переменные токи и в ориентированные по полю значения потокосцепления ротора , намагничивающего тока и активного тока .
Поступающий на вход блока регуляторов БРП задающие сигналы и совместно с ориентированными по полю текущими значениями переменных используются для вычисления заданных значений переменных и , с помощью которых блок вычисления задающих сигналов БВЗП формирует синусоидальные напряжения управления преобразователем и .
Эта система управления АД наиболее проста и эффективна, поэтому она принята в работе за основную.
Расчет статических характеристик частотно-регулируемого электропривода подъемной установки

Рис.2.1. Кинематическая схема подъемной установки
Наиболее распространённая кинематическая схема подъемной установки показана на рис. 2.1. Установка выполнена с двумя подъемными сосудами, один из которых поднимает груз, а другой опускается порожним. Подъемный барабан или шкив трения 1 приводится во вращение электродвигателем, размещенным в машинном зале подъемной установки. Головные канаты 2 проходят через направляющие шкивы 3, расположенные на копре рудника или шахты и закреплены на подъемных сосудах 4 и 6, которые движутся по направляющим в стволе. Выравнивание нагрузки осуществляется за счет использования уравновешивающих хвостовых канатов 5.
Расчет диаграммы скорости неопрокидной клетевой подъемной установки типа 1КН2-1
Исходные данные для расчета:
Глубина подъема – H = 140 м.
Грузоподъемность клети - mгр = 4000 кг.
Масса клети - mс = 2760 кг.
Площадь пола в клети – Sкл = 3,0 м2.
Клеть подвешена на одном канате диаметром dк = 37,0 мм и погонной массой qк = 2,910 кг/м. Общая длина каната 286 м.
Диаметр барабана - Dб = 2,5 м.
Момент инерции барабана - Jб = 19687 кгм2.
Передаточное число редуктора - iр = 4
КПД передачи - .
Диаметр копрового шкива – Dш = 2,46 м.
Момент инерции копрового шкива - Jш = 1070 кгм2.
Принимается максимальная линейная скорость движения клети в соответствии с рекомендациями Vmax = 3,16 м/с.
Периоды времени tп и tт определяются, исходя из максимально допустимого линейного ускорения (замедления) а < 0,75 м/с2 для клетевых подъемных установок. Для пусковых процессов подъемной машины принимается ап = 0,7 м/с2, тогда
с.
Для тормозных процессов подъемной машины принимается ат = 0,5 м/с2, тогда
с.
Для определения периода времени движения tуст с установившейся максимальной скоростью Vmax, необходимо вычислить пройденные пути сосудом за соответствующие периоды времени, вычисленные ранее.
Путь, пройденный сосудом за период времени tп
м.
Путь, пройденный сосудом за период времени tт
м.
Путь, пройденный сосудом за период установившегося движения с максимальной линейной скоростью
Sуст = Н – (Sп + Sт) = 140 – (7,2 +9,9) = 123 м.
Период времени движения с максимальной линейной скоростью
с.
Количество перевозимых людей определяется, исходя из нормы посадки пяти человек на один квадратный метр полезной площади этажа клети, т.е.
чел.
Расчетный период паузы при посадке в одноэтажную клеть определяется
с,
где n = 1 с/чел. – норма времени на посадку одного человека.
Расчетное время цикла составляет
Тц = tп + tуст + tт + tо = 4,5 + 38,9 + 6,3 + 25 = 74,7 с.
Расчет мощности и выбора электродвигателя для клетевой подъемной установки
Расчётная мощность электродвигателя:
кВт.
Расчетная частота вращения вала электродвигателя:
об/мин.
Применение электропривода переменного тока.
Вариант с электроприводом переменного тока. В соответствии с условиями (3.6) принимается к установке высоковольтный электродвигатель переменного тока с фазным ротором типа 4АМНК355S8У3
Номинальная мощность – Рном = 160 кВт.
Номинальное напряжение якорной цепи - Uном = 380 В.
Номинальный ток якорной цепи – Iном = 284 А.
Номинальная частота вращения вала - nном = 720 об/мин.
Момент инерции ротора – Jдв = 40 кгм2.
Номинальный КПД - .
Перегрузочная способность - .
Число полюсов .
=0,9
Расчет нагрузочной диаграммы электропривода переменного тока клетевой подъемной установки
Номинальная угловая скорость вала электродвигателя переменного тока:
с-1.
Номинальный момент электродвигателя:
Нм.
Момент статического сопротивления на валу электродвигателя:
Нм.
Угловая скорость вала двигателя, соответствующая максимальной линейной скорости движения клети:
с-1.
Суммарная масса канатов подъемной установки:
кг.
Приведенный момент инерции системы:

Пусковой момент в период времени tп:
Нм.
Момент в период времени tуст:
Муст = Мс = 1721 Нм.
Момент в период торможенияtт:
Нм.
Для проверки электродвигателя по нагреву определяется эквивалентный момент в соответствии с (2.13):

Так как Мэ = 2678 Нм < Мном = 2122 Нм, то выбранный электродвигатель переменного тока соответствует тепловым нагрузкам.
Проверка электродвигателя по перегрузочной способности производится по максимальному моменту, полученному в процессе расчета нагрузочной диаграммы, т.е. Мmax= Мп = 3120 Нм:
.
Электродвигатель переменного тока проходит по перегрузочной способности.
Графический вид диаграммы скорости и нагрузочной диаграммы представлены на рис. 2.2.
731520584200
500
1000
1500
2000
4000
M, Нм0
20
40
60
t, c
0
1
2
3
4
5
6
7
8
V, м/с
000
500
1000
1500
2000
4000
M, Нм0
20
40
60
t, c
0
1
2
3
4
5
6
7
8
V, м/с

Рис. 2.2. Диаграмма скорости и нагрузочная диаграмма клетевой подъемнойустановки:
- - - - скорость, момент
Расчет параметров схемы замещения асинхронного двигателя
Рассмотрим вариант частотно-регулируемого электропривода с автономным инвертором тока для неопрокидной клетевой подъемной установки типа 1КН-1. По условию тепловых нагрузок был принят к установке электродвигатель переменного тока с фазным ротором типа 4АМНК355S8У3 со следующими техническими характеристиками:
Номинальная мощность - Рном = 160 кВт.
Номинальные параметры статора:
- напряжение - = 380 В;
- ток - I1дв = 284 А;
- КПД - ;- коэффициент мощности - .
Номинальная частота вращения вала - nном = 720 об/мин.
Число пар полюсов – .
Момент инерции ротора - Jдв = 40 кгм2.
Перегрузочная способность - .
Принятие к проектированию асинхронных электродвигателей с фазным ротором применимо в случае реконструкции и модернизации электроприводов систем АВК или с релейно-контакторной станцией, где используются такого вида электродвигатели. Для частотно-регулируемых электроприводов двигатели с фазным ротором имеют закороченные фазные обмотки. Схема замещения асинхронного двигателя с закороченными фазными обмотками при частотном управлении приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема замещения фазы асинхронного двигателя при частотном управлении
Расчет выполнен третьим способом, методика которого приведена в п.2.4. Необходимо обратить особое внимание на то, что схема замещения приведена для фазы асинхронного двигателя, соответственно токи и напряжения являются фазными.
Активное сопротивление фазы статора:
Ом,
где - номинальное скольжение асинхронного двигателя; с-1 – синхронная угловая скорость двигателя; об/мин – синхронная частота вращения двигателя; - частота питающей сети; с-1 – номинальная угловая скорость вала двигателя; А – номинальный фазный ток статорной цепи.
Индуктивное сопротивление короткого замыкания
Ом,
где Нм – максимальный момент асинхронного двигателя; Нм – номинальный момент двигателя.
С достаточной точностью считается, что индуктивные сопротивления статора и приведенное ротора примерно равны, тогда:
Ом.
Приведенное активное сопротивление фазы ротора:
0,013 Ом.
Номинальный приведенный ток ротора:
А.
Номинальный ток намагничивающего контура:
,
где ; - номинальный коэффициент мощности роторной обмотки.
Номинальная ЭДС статора:
В.
Индуктивное сопротивление намагничивающей цепи:
Ом.

Рис.2.4. Механические характеристики АД

Рис.2.5. Скоростные характеристики АД
Разработка структурной схемы асинхронного электродвигателя при постоянстве потокосцепления ротора
В теории электрических машин любая многофазная электрическая машина с n – фазной обмоткой статора и m – фазной обмоткой ротора при условии равенства полных сопротивлений фаз статора (ротора) в динамике может быть представлена двухфазной моделью. Возможность такой замены создает условие для получения обобщенного математического описания процессов электромеханического преобразования энергии во вращающейся электрической машине на основе рассмотрения идеализированного двухфазного электромеханического преобразователя. В специальной литературе такой преобразователь получил название «обобщенной электрической машины».
Математическое описание процессов электромеханического преобразователя энергии наиболее удобно иметь в синхронных осях x,y, вращающихся с синхронной скоростью поля машины. При этом синусоидально изменяющиеся реальные переменные машины преобразуются в постоянные величины, характеризующие проекции изображающего вектора на синхронно с ним вращающиеся координатные оси x и y.
В осях x, y система дифференциальных уравнение АД имеет следующий вид :
Уравнение статорной цепи:
U1x=i1xR1+dΨ1xdt-ω0элΨ1y;
U1y=i1yR1+dΨ1ydt+ω0элΨ1x. (2.1)
Уравнения роторной цепи:
0=i`2xR`2+dΨ2xdt-(ω0эл-ωэл)Ψ2y;
0=i`2yR`2+dΨ2ydt+(ω0эл-ωэл)Ψ2x. (2.2)
где Ψ1x и Ψ1y - потокосцепление статора идеализированной двухфазной машины (ИДМ) по осям x и y; Ψ2x и Ψ2y - потокосцепление ротора ИДМ по осям x и y; R1 и R`2- активное сопротивление фаз соответственно ротора и статора; ω0эл - частота вращения магнитного поля статора; ωэл - частота вращения ротора; i1x и i1y - ток статора ИДМ по осям x и y; i2x и i2y- ток ротора ИДМ по осям x и y.
Уравнение потокосцеплений [17]:
Ψ1x=L1i1x+L12i`2x;
Ψ1y=L1i1y+L12i`2y;
Ψ2x=L2i`2x+L12i1x;
Ψ2y=L2i`2y+L12i1y. (2.3)
где L1, L2 – собственные индуктивности ротора и статора; L12 – взаимные индуктивности.
При частотном регулировании угловой скорости АД, есть возможность ориентировать QUOTE Ψ2 вдоль оси x,в этом случае [17]:
Ψ2=Ψ2x откуда следует Ψ2y=0, тогда:
L12i1y+L2i`2y=0. (2.4)
Подставив полученные результаты в приведенные выше уравнения (2.1-2.2) получим:
U1x=i1xR1+dΨ1xdt-ω0элΨ1y;
U1y=i1yR1+dΨ1ydt+ω0элΨ1x;
0=i`2xR`2+dΨ2xdt;
0=i`2yR`2+dΨ2ydt+(ω0эл-ωэл)Ψ2x. (2.5)
Из уравнений (2.3) выразим ток ротора ИДМ по оси x и y:
i`2x=Ψ2x-L12i1xL2; (2.6)
i`2y=-L12i1yL2. (2.7)
Запишем уравнения потокосцепления статора ИДМ по осям x и y с учетом уравнений (2.6) и (2.7):
Ψ1x=L1i1x+L12i`2x=L1i1x+L12Ψ2x-L12i1xL2;
Ψ1x=L12L2Ψ2x+i1x1-L122L1L2L1;
Ψ1x=k2Ψ2x+i1xσL1. (2.8)
где k2=L12L2 – коэффициент электромагнитной связи ротора; σ=1-L122L1L2 – коэффициент рассеяния магнитного поля.
Ψ1y=L1i1y+L12i`2y=L1i1y+L12-L12i1yL2;
Ψ1y=L1i1yσ. (2.9)
Подставим полученные уравнения потокосцепления статора и тока ротора в уравнение (2.5), получим:
Уравнение статорной цепи:
U1x=i1xR1+k2dΨ2xdt+σL1di1xdt-i1yL1σω0эл;
U1y=i1yR1+L1σdi1ydt+ω0элk2Ψ2x+ω0элσL1i1x. (2.10)
Уравнение роторной цепи:
0=-L12i1yL2R`2+ω0эл-ωэлΨ2x.
Откуда:
Ψ2x=L12i1yR`2L2ω0эл-ωэл=i1yk2R`2ω0эл-ωэл;
0=Ψ2x-L12i1xL2R`2+dΨ2xdt. (2.11)
При Ψ2x = const =L12i1x, из уравнения (2.11), найдем:
0=-L12i1yL2R`2+ω0эл-ωэлΨ2x;
-k2i1yR`2=ωэлΨ2x-ω0элΨ2x.
Откуда выразим:
ω0эл=ωэл+k2i1yR`2Ψ2x. (2.12)
Запишем уравнение статорной цепи:
U1x=i1xR1-i1yL1σω0эл;
U1y=i1yR1+L1σdi1ydt+E1y. (2.13)
где E1y – ЭДС фазы двигателя.
E1y=ω0элk2Ψ2x+ω0элσL1i1x=Ψ2xω0элk2+σL1L12. (2.14)
Подставим полученное выражение частоты вращения магнитного поля (2.12) в (2.14), получим:
E1y=Ψ2xωэл+k2i1yR`2Ψ2xk2+σL1L12==k2i1yR`2k2+σL1L12+Ψ2xωэлk2+σL1L12==L1L2i1yR`2+Ψ2xωэлL1L12. (2.15)
Подставим уравнение (2.15) в уравнение статорной цепи (2.13):
U1y=i1yR1+L1σdi1ydt+L1L2i1yR`2+Ψ2xωэлL1L12;
U1y=i1yR1+L1L2R`2+L1σdi1ydt+Ψ2xωэлL1L12. (2.16)
Модель асинхронного двигателя существенно упрощается при Ψ2x=const:
U1y=i1yR1+L1L2R`2+L1σdi1ydt+Ψ2xωэлL1L12;
MДВ-MC=Jdωdt. (2.17)
где MДВ - момент на валу электродвигателя; MC – момент сопротивления.
MДВ=23PПL12L2Ψ2xi1y. (2.18)
Электромеханический коэффициент двигателя по моменту:
CМЭ=23PПL12L2Ψ2x. (2.19)
Тогда:
MДВ=CМЭi1y. (2.20)
Запишем:
Эквивалентное сопротивление статорной цепи:
RЭ=R1+L1L2R`2. (2.21)
Эквивалентная индуктивность статора:
LЭ=L1σ=L11-L212L1L2. (2.22)
Эквивалентное противо -ЭДС статора:
EЭ=Ψ2xωэлL1L12=Ψ2xPПL1L12ω. (2.23)
Электромеханический коэффициент электродвигателя по ЭДС:
CЭ=Ψ2xPПL1L12. (2.24)
Подставим уравнение (2.21), (2.22), (2.24) в уравнение (2.17):
U1y=iyRЭ+LЭdi1ydt+CЭω;
MДВ-MC=Jdωdt. (2.25)
Как мы можем видеть, полученные уравнения (2.25) подобны уравнениям двигателя постоянного тока.
Для решения дифференциальных уравнений (2.25) используется структурный метод моделирования, в основе которого лежит представление исследуемой системы в виде типовых динамических звеньев с указанием связей между ними. Для перехода от дифференциальных уравнений к динамическим звеньям используется преобразование Лапласа.
После преобразования Лапласа уравнения (2.25) будет иметь вид:
U1y=iyRЭ+LЭPi1y+CЭω;
MДВ-MC=JPω. (2.26)
Подставим в (2.26) уравнение (2.20):
U1y=i1yRЭ+LЭPi1y+CЭω;
iyCM-MC=JPω. (2.27)
Откуда:
U1y-CЭω=RЭ(1+TЭP)i1y;
i1y=U1y-CЭωRЭ(1+TЭP). (2.28)
где TЭ=LЭRЭИз уравнения (2.28) выразим ω:
ω=(iyCМ-MС)JP=(iyCM-MC)RЭCЭCMJPRЭCЭCM. (2.29)
где TM=JRЭ/CЭCM, тогда получим:
ω=(iyCМ-MС)RЭTЭPCЭCM. (2.30)
Дифференциальные уравнения АД при стабилизации потокосцепления ротора, в виде динамических звеньев представлены на рис.2.2 [17].

Рис.2.6. Структурная схема модели АД при стабилизации потокосцепления ротора, в виде динамических звеньев
Данная структурная схема реализована в виде модели на ЭВМ.
Электромеханические характеристики асинхронного электродвигателя подъемной установки при частотном управлении
В общем случае построение характеристик АД затруднительно. Поэтому при помощи системы математических расчётов Mathcad была разработана программа расчёта на ЭВМ следующих параметров: тока статора АД; момента АД; КПД и cosφ на основе Т – образной схемы замещения(рис.2.3.). В качестве исходных взяты уравнения (2.37) – (2.45).
1. При построении характеристик учитывалось, что при частотном управлении действует закон стабилизации потокосцепления ротора. В этом случае при заданном потокосцеплении ротора напряжение статора в уравнении (2.37) вычисляется по формуле, полученной на основе соотношений, приведённых в [17]:
; (2.64)
. (2.65)
где .
2. Определяем потокосцепление ротора:
. (2.66)
где .
3. Определяем скольжение:
. (2.67)
Исследования проводились для варианта поддержании потокосцепления ротора в первой зоне регулирования постоянным, равным номинальному значению (при частотном регулировании).
4. При регулировании частоты учитывается изменение сопротивления цепи намагничивания АД от частоты по следующей формуле [17]:
. (2.68)
5. Используя исходные уравнения (2.37) – (2.45) и (2.64), определяем электромагнитный момент, ток статора и напряжения статора электродвигателя при ступенчатом и частотном регулировании АД:
; (2.69)
; (2.70)
; (2.71)
; (2.72)
; (2.73)
. (2.74)
По результатам расчётов на ЭВМ на рис.2.7 - 2.8 представлены механические и скоростные характеристики АД с фазным ротором 4АМНК355S8У3 при постоянстве потокосцепления ротора Ψ2=const, для следующих частот: 50, 25, 5 Гц.

Рис.2.7. Механические характеристики АД при постоянстве потокосцепления ротора Ψ2=const
Рис.2.8. Скоростные характеристики АД при постоянстве потокосцепления ротора Ψ2=constПри поддержании потокосцепления ротора в первой зоне регулирования постоянным, равным номинальному значению, механические характеристики частотно-регулируемого электропривода подобны механическим характеристикам ЭП постоянного тока.
Методика расчета системы регулирования электропривода
На рис.2.9. приведена структурная схема системы векторного регулирования координат частотно-регулируемого АД[8]. На этой схеме приняты следующие обозначения: kо.с., kо.т. – коэффициенты обратных связей по току и скорости электродвигателя; Wр.т.,Wр.с. – передаточные функции регулятора тока РТ и регулятор скорости РС; UЗТ, UЗС – изображения сигналов задания тока и скорости АД.
Найдем передаточную функцию регулятора тока Wр.т..
Передаточная функция объекта управления, относящаяся к контуру тока:
Wоб.т=kп(Tпp+1)1Rя.ц.(TЭp+1); (2.41)
где Tп – малая постоянная времени контура тока.
При последовательной коррекции передаточная функция прямой ветви регулирования контура тока Wпр.т.записывается в виде:
Wпр.т.=Wр.т.Wоб.т.=1kо.т.атTпp(Tпp+1); (2.42)
где – коэффициент настройки РТ.
Отсюда передаточная функция регулятора тока:
Wр.т.=Wпр.т.Wоб.т.=Tо.с.p+1Tиp; (2.43)
где Tи=kо.т.kпатTпRя.ц.;Tо.с.=TЭ.Следовательно РТ является ПИ- регулятором с постоянными времени TииTо.с. и коэффициентом настройки QUOTE ат.
Передаточная функция замкнутого конура тока Wз.т. имеет вид:
Wз.т.=iяUз.т.=1kо.т.(1+атTпp+ат2Tп2p2). (2.44)
Выполненные расчеты и практика настройки регулируемых ЭП показывает, что без большой погрешности при синтезе систем подчиненного регулирования координат в передаточной функции Wз.т. можно пренебречь слагаемым ат2Tп2p2. Отбросив его получим:
Wз.т.=1kо.т.(1+атTпp); (2.45)
Передаточная функция объекта управления относящаяся к контуру скорости:
Wоб.т=Wз.т.Rя.ц.cTМp=Rя.ц.kо.т.(1+Tµp)cTМp; (2.46)
Где Tµ=aтTп – малая постоянная времени контура скорости.
Желаемая передаточная функция прямой ветви регулирования контура скорости Wпр.с. записывается в виде:
Wпр.с.=Wр.с.Wоб.с.=1kо.с.aсTµp(Tµp+1); (2.47)
где:aс –коэффициент настройки РС.
Откуда передаточная функция регулятора скорости:
Wр.с.=Wпр.с.Wоб.с.=kр.с.;kр.с.=kо.т.cTМkо.с.Rя.ц.aсTµ; (2.48)
Следовательно, РС является П – регулятором с коэффициентом усиления kр.с..
Передаточная функция замкнутого контура скорости:
Wз.т.=ωUз.с.=1kо.с.11+aсTµp+aсTµ2p2. (2.49)
При aт=aс=2 может быть обеспечена оптимальная настройка на модульный оптимум. Коэффициенты обратных связей kо.т.и kо.с. могут быть найдены по формулам:
kо.т.=Uз.т.maxIя.max;kо.с.=Uз.с.maxωmax.где:Uз.т.max – максимальный сигнал задания тока, соответствующий максимальному току Iя.max; Uз.с.max – максимальный сигнал задания скорости, соответствующий максимальной скорости электродвигателя ωmax.
109918543180
Рис.2.9. Структурная схема системы векторного регулирования координат частотно-регулируемого АД
Выводы
Произведен расчет параметров схемы замещения асинхронного двигателя и построены статические характеристики асинхронного электродвигателя.
Построены статические характеристики частотно-регулируемого электропривода с векторной системой управления. При поддержании потокосцепления ротора постоянным полученные характеристики подобны характеристикам привода постоянного тока.
Получена математическая модель системы векторного регулирования координат частотно-регулируемого АД при постоянстве потокосцепления ротора.
Разработана структурная схема системы векторного регулирования координат частотно-регулируемого АД при постоянстве потокосцепления ротора.
Разработана методика расчета векторной системы регулирования электропривода при постоянстве потокосцепления ротора
Моделирование динамических процессов частотно-регулируемого электропривода клетевой подъемной установки
Исходными данными для моделирования являются:
1. Структурная схема частотно-регулируемого электропривода, представленная на рис. 2.9.
2. Расчетные данные в соответствии с п.2.1.4 Используются данные расчетов диаграммы скорости движения клетевой подъемной установки.
По структурной схеме рис. 2.9.составляется блок-схема модели частотно-регулируемого электропривода клетевой подъемной установки, представленной на рис. 3.1.
На блоке Gain5 (усилитель) реализован коэффициент усиления регулятора скорости, его численное значение вносится в окно настройки. Блоки Gain2 и Gain3 предназначены для реализации коэффициентов обратных связей по скорости и току статора соответственно, их численные значения Вс иВ/А вносятся в соответствующие окна настройки.

Рис. 3.1. Блок-схема модели частотно-регулируемого электропривода клетевой подъемной установки
Ограничение сигнала задания по току осуществляется с помощью блока Saturation, который извлекается из библиотеки Nonlinear (Нелинейные блоки). Рекомендуется в окне настройки выставлять напряжение ограничения В.
Регулятор тока реализован в модели с помощью блока Zero-Pole, который извлекается из библиотеки Continuous (Непрерывные блоки). Передаточная функция регулятора тока имеет вид
,
где численные значения электромагнитной постоянной времени с и постоянной времени регулятора тока с получены в п.п.3.2.2 и 3.2.3.
Для реализации передаточной функции регулятора тока на блоке Zero-Pole, необходимо эту передаточную функцию представить в следующем виде:
.
В окно настройки блока Zero-Pole(рис. 3.1.) вносятся численные значения и с-1
Для клетевой подъемной установки применяется трехпериодная диаграмма движения сосудов. Реализация управляющего сигнала задания по скорости , в соответствии с заданной диаграммой движения, осуществляется посредством программирующего устройства. Моделирование программирующего устройства на рис. 3.1. осуществляется с помощью блоков Cloсk (время), Fcn (задание f(u) произвольной функции), Integrator (интегратор) и Gain4 (усилитель).С помощью блока Fcn зададим, используя Булеву алгебру, зависимость изменения ускорения «а» во времени «t» за цикл движения. Величины и периоды действия ускорения, замедления и движения с установившейся скоростью, задаются Булевой алгеброй в окне настройки блока Fcn,

Рис.3.2. Диаграмма ускорений за цикл движения клетьевой подъемной установки
На осциллоскопе Scope1 получаем диаграмму ускорений (рис. 3.2.) за цикл движения клетевой подъемной установки. Чтобы получить диаграмму управляющего сигнала задания скорости на регуляторе скорости, необходимо проинтегрировать ускорение. Для этого используется блок Integrator, включаемый после блока Fcn (рис. 3.1.). После интегратора включается блок Gain4, коэффициент усиления которого должен быть таким, чтобы обеспечивать максимальный сигнал задания скорости 10 В на выходе программирующего устройства при максимальной скорости движения клети. Диаграмма управляющего сигнала задания скорости наблюдается с помощью осциллоскопа Scope2 и представлена на рис. 3.3.

Рис.3.3. Диаграмма скорости за цикл движения подъемной установки
На рис. 3.4. показаны переходные процессы угловой скорости и тока статора частотно-регулируемого электропривода при ступенчатом управляющем воздействии сигнала задания скорости (10 В)
Рис. 3.4. Переходные процессы угловой скорости и тока статора при программируемом управляющем воздействием сигнала задания скорости
Заключение.
На основании выполненных исследований в работе получены следующие результаты:
1. Разработана математическая модель системы векторного регулирования координат частотно-регулируемого АД при постоянстве потокосцепления ротора. На основе данной модели получена структурная схема системы векторного регулирования координат частотно-регулируемого АД. Предложена методика расчета векторной системы регулирования электропривода при постоянстве потокосцепления ротора.
2. Выполнено моделирование динамических процессов частотно-регулируемого электропривода клетевой подъемной установки Показано, что применение векторной системы управления частотно-регулируемого электропривода подъемной установки позволяет получить реальную диаграмму скорости практически не отличающейся от заданной.
Список используемой литературы
Ляхомский А.В., Фащиленко В.Н. Автоматизированный электропривод машин и установок горного производства. Часть 1: Автоматизированный электропривод механизмов циклического действия: Учебное пособие. – М.: Из-во «Горная книга», 2014. – 412 с.
Малиновский А. К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников: Учебник для вузов. – М: Недра, 1987. – 280 с.
Гришко А.П. Стационарные машины. – Том 1. Рудничные подъемные установки: Учебник для вузов. – М.: Издательство МГГУ, 2006, - 477 с.
Гришко А.П., Шелоганов В.И., Стационарные машины и установки: Учебное пособие для вузов. – М.: Издательство МГГУ, 2004, - 328 с.
Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 480 с.
Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 2001. – 704 с.
Мартынов М.В., Переслегин Н.Г. Автоматизированный электропривод в горной промышленности. Изд. 2, перераб. и доп. М.: Недра, 1977. – 375 с.
Решетняк С.Н. К вопросу о применении частотно-регулируемого привода шахтных подъемных установок. ГИАБ №5 2005г. М.: Издательство МГГУ -с. 230-233.
Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. – Л.: «Энергоатомиздат» Ленинградское отд-ние, 1987г. – 136 с.
www.seimens77.ru www.mitsubishi-electric.ru www.abb.ru www.elvpr.ru www.triol.com www.powerflex.com

Приложенные файлы

  • docx 26658946
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий