Электропривод

Конвейерно-транспортные машины различной мощности, производительности и протяженности являются одним из основных видов грузового транспорта на угольных шахтах и предприятиях по переработке полезных ископаемых. Речь идет о следующих предприятиях: • Угольных и рудных обогатительных фабриках. • Металлургических заводах и других производствах. От надежной, ритмичной и безотказной работы этих механизмов напрямую зависят производительность и экономические показатели работы предприятия в целом.

В современном производстве и инженерных системах управление электродвигателем (ЭД) является важной составляющей в процессах работы установок и промоборудования. В данной публикации рассмотрены основные аспекты, которые следует учитывать при выборе преобразователя частоты (ПЧ). Данные рекомендации в текущих реалиях являются актуальными, поскольку сейчас регулярно приходится менять вышедшие из строя иностранное оборудование на наши отечественные бренды.

В настоящее время в горной промышленности нашли широкое применение электроприводы переменного тока с преобразователями частоты (ПЧ). Силовые ключи этих преобразователей работают с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на частотах порядка 3 - 16 кГц в зависимости от типа и мощности преобразователя. При коммутации ключей в кабеле возникают мощные кондуктивные импульсы, спектр частот которых составляет килогерцы и даже мегагерцы.

В промышленности есть два самых распространённых устройства для управления ЭД: • Преобразователи частоты – устройство, которое преобразует переменный ток одной частоты в переменный ток другой частоты, в результате чего происходит изменение скорости вращения электродвигателя. • Устройство плавного пуска – устройство, которое позволяет снизить пусковые токи при запуске ЭД, что позволяет обеспечить плавный запуск оборудования и останова. В данной статье рассмотрим данное оборудование и дополнительную периферию, которая позволит функционально эксплуатировать автоматизированный электропривод (АЭП).

Двигатели постоянного тока (ДПТ) имеют достаточно широкое применение в различных областях промышленности. Выход из строя электродвигателей вызывает простой технологического оборудования и наносит значительный экономический ущерб предприятиям. В этих условиях актуальной является задача разработки систем диагностики и защиты ДПТ. Одним из возможных путей решения этой задачи является использование результатов динамической идентификации ДПТ на основе оценивания значений параметров двигателя в процессе его работы.

Решению задачи управления параллельно соединенными асинхронными электродвигателями (АД), получающих питание от одного инвертора посвящено значительное число работ, например в ранее опубликованных статьях. Как отмечено в предыдущей работе, задача в такой постановке не нова и изучается уже более двадцати лет в связи с ее актуальностью применительно к электроприводам транспортных систем.

Асинхронный электродвигатель (АД) является вполне управляемым объектом. Качество управления зависит от идеологий построения систем управления, которые уже подробно описаны в следующих учебниках [1, 2, 3], и некоторых обзорных публикациях [4 и 5]. Вместе с тем нельзя утверждать, что в смысле обеспечения максимального качества управления уже наступил предел.

Увеличение потребности в полезных ископаемых требует повышения темпов добычи и скорости проведения горных выработок. При этом наибольшую трудоемкость составляет проведение подготовительных горных выработок. Наибольшее распространение получили технологии с использованием проходческих машин традиционного исполнения, представленных в основном проходческими комбайнами и проходческими щитами.

Анализ работы угледобывающих предприятий, как в России, так и за рубежом, показывает увеличение доли угледобычи подземным способом с преобладанием длинных очистных забоев над камерно-столбовыми системами разработки. В Кузбассе эта тенденция выражается в применении новой технологии разработки полезных ископаемых «шахта-лава»: • Шахта «Южная». • Шахта «Котинская». Применение данной технологии обусловлено непрерывным совершенствованием очистных механизированных комплексов.

В настоящее время современный автоматизированный электропривод с использованием соответствующего управления является основой для реализации оптимальных технологических процессов большинства промышленных установок.

Задача позиционирования непосредственно асинхронного электродвигателя (АД) рассмотрена в работе [1]. Этот вариант управления применим к реализации в случае весьма большой жесткости компонентов механического передаточного устройства (МПУ), то есть, когда скорости вала ротора электродвигателя (ω1) и исполнительного органа (ω2) практически равны.

Магнитострикционные преобразователи перемещений (МПП) нашли применение во многих отраслях современной промышленности. Работая в составе систем автоматического регулирования, они позволяют решать широкий круг задач и гарантируют высокую точность полученных результатов. Их отличает широкая область возможного применения, низкая себестоимость, простота конструкции, высокое быстродействие и разрешающая способность.

Перевод электрической машины из одного состояния в другое - классическая задача управления, которая была освещена в ранних статьях.

Развитие идеи прямого управления моментом привело к появлению ряда совершенно непохожих по своей реализации методов управления, которые, тем не менее, носят название DTC. Сущность данных вариантов заключается в наискорейшем достижении заданных значений амплитуды вектора потока статора или ротора и электромагнитного момента.

Одним из важных вопросов при оценке живучести, долговечности и остаточного ресурса горных машин является воссоздание истории их механического нагружения за относительно длительный период По истории нагружения, связанной с условиями эксплуатации объекта и накопленными повреждениями, можно оценивать перспективы его работы в аналогичных условиях. На горные машины, работающие в условиях разрезов, действуют различные механические нагрузки, зависящие от свойств разрабатываемых пород.

В середине 1980-х, когда большинство исследователей работало над улучшением методов управления электродвигателями, в частности: • С ориентацией вдоль векторов потоков двигателя (FOC), М. Депенброк (М. Depenbrock) представил метод «Прямое саморегулирование потока и крутящего момента электрической машины с вращающимся полем» (Direct Self Control of the flux and rotary moment of a rotary-field machine). В это же время И. Такахаши (I. Така- hashi) и Т. Ногучи (Т. Noguchi). • Независимо от М. Депенброка, предлагают метод «Прямое управление моментом» (Direct Torque Control), который отличается от DSC структурной реализацией и траекторией пространственного вектора потокосцепления.

В настоящее время на Новокемеровской ТЭЦ для получения пара высокого давления используются котельные агрегаты типа ТП-87 с естественной циркуляцией. Однако топливо и энергия, потребляемые котлоагрегатами, расходуются не оптимально, что связано: • Со сложностью эффективного управления технологическими процессами из-за значительных колебаний тепловой нагрузки. • Со сложностью регулирования потоков воздуха и дымовых газов путем дросселирования - изменением положения заслонок направляющих аппаратов дутьевых вентиляторов и дымососов. • Со сжигания топлива с большим избытком воздуха. • С отсутствием автоматической коррекции режима работы котлоагрегата. Проблема энергосбережения и энергетической эффективности котлоагрегатов в настоящее время является актуальной.

Устойчивая тенденция роста масштабов открытых горных работ, ухудшение горнотехнических условий и соответствующего увеличения плеча откатки и глубины карьеров предопределили главное направление развития карьерного автотранспорта, что вызывает применение автосамосвалов особо большой грузоподъемности. На карьерах сложилась следующая ситуация: • Произошел рост единичной мощности и стоимости машин. • Появление нового поколения автосамосвалов с электромеханической трансмиссией грузоподъемностью до 320 т. • Увеличение масштабов и концентрации горных работ. • Повышение требований к надежности технологических систем.

Цель данной работы является получение следующих результатов: • Аналитическое описание тиристора, объясняющее эффекты, существующие в тиристорном преобразователе (ТП) в зоне малых токов. • Получение возможных аварийных режимов, возникающие в ТП при неправильном управлении. • Получение аналитического описания, которое будет использовано в расчетах различных схем тиристорных преобразователей, для анализа работы ТП и создания системы управления. Характер нагрузки тиристорного преобразователя непосредственно влияет на внутренние электромагнитные процессы. Существующие модели с достаточной степенью точности описывают процессы преобразования для активной нагрузки и нагрузки, содержащей противо э.д.с. Нагрузка определяет законы управления и построение структуры тиристорного преобразователя. Исследования показали, что при активно-индуктивной нагрузке со значительной индуктивностью использование известных моделей тиристоров приводит к ошибочным результатам. Существуют ситуации, когда без применения специальных мер в принципе невозможно открыть тиристорный преобразователь на нагрузку, обладающую большой индуктивностью.

Требования к надежности и отказоустойчивости систем управления шахтных подъёмных установок (ШПУ), связанные с интенсификацией производства и приведением их к современным требованиям правил безопасности увеличиваются с каждым годом. Поэтому, актуальны исследования направленные на, разработку методик проектирования и описания программируемых средств управления, обеспечивающих оптимальность процесса разработки программного обеспечения для системы управления и надежность работы ШПУ в целом.

В настоящее время на рынке преобразовательной техники для управления асинхронным электроприводом существует достаточно большое количество устройств, которые позиционируются как средства, позволяющие обеспечить энергосбережение при функционировании технологических установок. Однако, как отмечалось еще в ранее опубликованной статье, данный результат зачастую является следствием рациональной организации работы электропривода в конкретных технологических условиях. Тем не менее, даже для электроприводов общепромышленного назначения в зависимости от подхода, используемого в его системе управления, энергопотребление может существенно изменяться. Энергетические характеристики асинхронного электропривода определяются уровнем его потерь при электромеханическом преобразовании энергии, а также потерь в полупроводниковом управляющем устройстве, каждый из которых зависит от режима его работы. При этом на энергопотребление оказывает влияние не только величина преодолеваемой нагрузки и необходимость разгонов и торможений, но и текущее состояние, как двигателя, так и преобразователя.

В современной промышленности широко используется автоматизация технологических процессов, где в качестве исполнительного устройства наибольшее распространение получил электропривод переменного тока, который обладает бесспорными преимуществами в надежности и себестоимости. В таких электроприводах для управления двигателем наиболее часто применяют преобразователи частоты с автономными инверторами напряжения, позволяющие как регулировать координаты, так и оптимизировать режимы работы. Преобразователи частоты могут реализовывать различные законы управления двигателем, в том числе многокритериальные, позволяющие при правильной настройке добиваться одновременно высокого качества регулирования координат и достижения высоких показателей по дополнительным критериям, например энергетическим.

В предлагаемой работе приводится вариант управления состоянием асинхронного электропривода, обладающий быстродействием вариантов разрывного управления и возможностью жесткого ограничения амплитуды тока статора на заданном уровне. При этом обеспечивается синусоидальное распределение поля статора в воздушном зазоре и синусоидальные токи фаз электродвигателя. Задача управления технологическими переменными промышленной установки в большинстве случаев может быть решена средствами регулируемого электропривода. Основными критериями, предъявляемыми к электроприводам, являются: • Выполнение технологических функций (поддержание заданной частоты вращения и крутящего момента). • Достижение минимума потерь электроэнергии при работе установки (максимальный КПД). • Высокая надежность. • Наилучшие показатели позволяет получить регулируемый электропривод переменного тока. Основными методами регулирования координат электропривода переменного тока являются: • Методы управления с ориентацией по векторам потоков статора или ротора. • Системы прямого управления моментом.

Благодаря технологическим преимуществам по сравнению с железнодорожным транспортом, автомобильный транспорт в нашей стране сегодня выполняет до 70% всего объема перевозок. Технический прогресс приводит к увеличению грузоподъемности многих видов автомобильного транспорта, в частности и автосамосвалов с дизель-электрическими приводами. На открытых горных работах в России эксплуатируются, в основном, автосамосвалы производства ПО «БелАЗ», которые имеют достаточно широкий спектр модификаций и типоразмерным рядом конкурируют с ведущими мировыми фирмами Komatsu и Caterpillar. ПО «БелАЗ» постоянно проводит работы по усовершенствованию парка машин, повышая их надежность, которая закладывается при проектировании, обеспечивается в процессе производства и поддерживается в процессе эксплуатации. На базе традиционной схемы электротрансмиссии автосамосвалов БелАЗ особо большой грузоподъемности завод осуществляет усовершенствование тягово-динамических свойств, благодаря которым: • Улучшается управляемость автосамосвалов. • Уменьшается износ шин. • Повышается ресурс тяговых электродвигателей (ТЭД). ТЭД трансмиссии работают в сочетании с редукторами мотор-колес (РМК).

Применяемый в подавляющем большинстве горных и транспортных машин (ГТМ) серийный нерегулируемый электропривод оснащен асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором (АД). Особенностью пуска АД прямым подключением к сети является возникновение знакопеременных переходных электромагнитных моментов, амплитуда которых во многих случаях значительно превышает пусковой момент АД. Так как режим работы электропривода ГТМ характеризуется частыми пусками, то развиваемые АД знакопеременные электромагнитные моменты увеличивают уровень динамической нагруженности электропривода, вызывают удары и деформации в элементах трансмиссии с их интенсивным износом и поломками и являются одной из основных причин, снижающих надежность и ресурс ГТМ. Одним из направлений повышения функциональной надежности электроприводов ГТМ является управление состоянием приводных электродвигателей при пуске, направленное на ограничение динамических воздействий со стороны электродвигателей на механическую часть ГТМ.

В настоящее время нерегулируемый асинхронный электропривод является наиболее распространенным среди большинства промышленных установок. Его функциональная надежность во многом определяется условиями эксплуатации и режимами работы, характерными для конкретного вида технологического процесса. В этом смысле, одним из наиболее значимых является режим пуска путем прямого подключения приводных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (АД) к сети. Возникающие при этом броски пусковых токов приводят к ускоренному износу изоляции обмоток статора АД, просадке напряжения в сети от протека¬ния значительных по величине пусковых токов и возникновению переходных знакопеременных электромагнитных моментов, которые вызывают удары и деформации в элементах трансмиссии с интенсивным их износом и поломками. Таким образом, частые прямые пуски являются одной из основных причин сокращения срока службы и преждевременного выхода из строя нерегулируемого асинхронного электропривода промышленных установок, что приводит к их вынужденному простою со значительным экономическим ущербом.

Снижение энергоемкости и ресурсоемкости продукции и услуг одна из важнейших задач, стоящих перед промышленностью и научным сообществом России в настоящее время. За счет использования регулируемых электроприводов можно снизить на 20-50% потребление электроэнергии в механизмах, в которых электрические двигатели рассчитаны на максимальную нагрузку, а средняя их нагрузка составляет 60-80%. Кроме экономии электроэнергии, с помощью регулируемого электропривода, параллельно, можно решать задачи по снижению или ограничению динамических механических нагрузок в трансмиссии и рабочих органах машин, повышая тем самым их долговечность (или, другими словами, снижать ресурсоемкость продукции, производимой с помощью этих машин). Управление ресурсом следует рассматривать как неотъемлемую часть процесса управления режимом работы машины, снабженной регулируемым электропроводом.