Испытательный комплекс для оценки режимов работы электроприводов горных машин
Семыкина Ирина Юрьевна,
кандидат технических наук, доцент, и.о. зав. кафедрой электропривода и автоматизации,
Киселев Алексей Викторович,
Кольцов Родион Арсеньевич.
Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева.
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Проект «Разработка энергоэффективных средств управления электроприводами горных машин с учетом особенностей динамических режимов их работы в рамках создания энергосберегающих систем распределения и потребления электроэнергии» (шифр 2011-1.2.2-226-011).
Введение
Современные электроприводы горных машин, как правило, оснащены нерегулируемыми асинхронными электродвигателями (АД), имеющими завышенную мощность для преодоления возможных перегрузок. Исходя из этого, большую часть времени двигатель работает в недогруженном режиме и имеет заниженные эксплуатационные характеристики, такие как КПД, коэффициент мощности и др. Помимо этого, для горных машин характерна нагрузка, носящая случайный характер, в результате чего электромагнитное состояние двигателя изменяется в широких пределах и высокой интенсивностью.
Использование в горных машинах регулируемого электропривода, позволяющего формировать требуемое электромагнитное состояние двигателя, дает возможность оптимизировать его работу, получая наилучшие энергетические характеристики. Однако, учитывая высокую интенсивность изменения нагрузки электроприводов горных машин и высокую сложность самого электропривода, разработке алгоритмов управления, позволяющих оптимизировать энергопотребление, должен предшествовать этап всестороннего анализа режимов их работы с учетом реальных эксплуатационных факторов. Такой анализ предполагает разработку математической модели, учитывающей особенности формирования потерь энергии различного рода при работе электрического привода, а также серию экспериментальных исследований.
Разработка математической модели
С учетом особенностей поставленной задачи исследования энергетических характеристик электропривода горных машин была использована следующая математическая модель, описывающая процессы, происходящие при работе такого электрического привода [1]:
где: Us – вектор напряжения статора; Is, Ir, Im, ψs, ψr, ψm – векторы токов и потокосцеплений статора, ротора и взаимоиндукции соответственно; Iec, ψec – векторы тока и потокосцепления эквивалентного контура, учитывающего потери в стали от вихревых токов; Rs, Rr – активные сопротивления фаз статора и ротора; Lσs, Lσr – индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора; Lec – индуктивность контура потерь в стали от вихревых токов; kh – коэффициент учета потерь в стали; p – число пар полюсов; ωk – угловая скорость системы координат; ω – угловая скорость вращения ротора.
Приведенная математическая модель была реализована в среде MatLAB – Simulink, как это показано на рис. 1.
Полученная компьютерная модель учитывает также процессы, протекающие в электродвигателе, как вихревые токи и нелинейность кривой намагничивания, что делает результат моделирования более приближенным к реальным условиям с точки зрения энергетических характеристик.
Рис. 1. Модель АД.
Разработка стенда
Оценка адекватности компьютерной модели проводилась методом натурных экспериментов, для чего был разработан специальный стенд. Основная задача стенда заключается в имитации различных механических нагрузок и исследовании характеристик регулируемого электропривода на базе АД, на который они воздействуют. В функциональные возможности стенда входит имитация следующих типовых нагрузок: активной, типа «сухое трение», типа «вязкое трение», вентиляторного типа.
Также предусмотрена возможность задания программируемой нагрузки с персонального компьютера.
Стенд позволяет получать информацию в графическом виде в реальном времени об электрических и механических координатах испытуемого АД и нагрузочной электрической машины, создающей статический момент нагрузки на его валу. Данные, полученные в ходе его работы, дают возможность оценить показатели качества регулирования механических координат асинхронного электропривода и переменные потери энергии в АД, зависящие от нагрузки на валу.
Конструктивно стенд представляет собой две электрические машины, одна из которых является испытуемым АД, другая – машиной постоянного тока (МПТ), выполняющая функцию нагружающего устройства для АД, как это показано на рис.2. Электрические машины соединены жесткой механической связью, снабжены комплектом необходимых датчиков, индивидуальными системами управления и блоком защит. Структурная схема стенда изображена на рис. 3.
Рис. 2. Конструктивная схема стенда: 1 – испытуемый АД, 2 – нагрузочная МПТ, 3 – датчики угла поворота на валу, 4 – блок защит системы, 5 – элементы управления стендом.
Рис. 3. Структурная схема системы: ИД - испытуемый АД, НМ - нагрузочная электрическая машина постоянного тока, ИС - измерительная подсистема стенда, Д1…Д13 - комплект датчиков, СУНМ - подсистема силовой части и управления нагрузочной машиной, БЗ - блок защит системы, СУАД - система управления АД, ПК - персональный компьютер.
Измерительная подсистема стенда предназначена для измерения и последующего аналого-цифрового преобразования (АЦП) текущих параметров испытуемого АД и нагрузочной машины: фазных токов АД, фазных напряжений АД, тока якоря НМ, напряжения якоря НМ, момента на валу НМ, температуры в трех точках станины испытуемого АД, скоростей вращения ротора. Соответственно, ИС включает в себя модуль АЦП и комплект необходимых датчиков.
СУНМ необходима для формирования заданного статического момента нагрузки на валу АД. Функционально СУНМ обеспечивает следующие режимы работы нагрузочной машины: динамическое торможение, торможение противовключением.
СУАД, в свою очередь, предназначена для регулирования координат и управления АД и представляет собой промышленный преобразователь частоты.
С ПК организовывается вывод информации о текущих показателях измеряемых координат асинхронного электропривода и нагрузочной машины в графическом виде, также Пользователь имеет возможность задания с ПК программно изменяемого статического момента нагрузки.
Принцип работы стенда основан на способе формирования момента нагрузки на валу АД при помощи регулирования тока якоря МПТ путем ввода нагрузочного сопротивления. Таким образом, имитация всех требуемых режимов работы в стенде реализована комбинацией МПТ режимов динамического торможения и противовключения.
Принципиальная электрическая схема стенда, реализующая описанные технические особенности представлена на рис. 4.
Рис. 4. ПЭС силовой части стенда.
Результаты экспериментов
В ходе проведения испытании было получено множество экспериментальных данных характеризующих работу электропривода горной машины. Типичные данные, полученные экспериментально, показаны на рис. 5, где М – электромагнитный момент, ω1 – угловая скорость двигателя, ω2 – угловая скорость эквивалентного исполнительного органа. Результаты компьютерного моделирования с параметрами, соответствующими экспериментальной установке приведены на рис. 6.
Среднее рассогласование результатов моделирования с экспериментальными данными не превышает 8%. Таким образом, данные полученные в ходе натурных испытаний подтверждают адекватность использованных математической и компьютерной модели, а сама модель может эффективно использоваться для оценки энергоэффективности систем управления электроприводов горных машин.
Рис. 5. Экспериментальные данные.
Рис. 6. Результаты компьютерного моделирования.
Литература
1. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. – Екатеринбург: УРО РАН, 2000. – 654 с.
Поступила в редакцию 18.09.2012 г.