CC BY
32
Список литературы
1. Энергетическая эффективность регулирования в тиристорных и транзисторных электроприводах экскаваторов / А.Я. Микитченко [и др.] // «Горное оборудование и электромеханика». 2008. № 5. С. 24-31.
2. Электропривод экскаватора ЭКГ-5 по системе ТП-Д производства ОАО «Рудоавтоматика» / В.В. Сафошин [и др.] // «Горное оборудование и электромеханика». 2009. № 4. С. 16-22.
3.Разработки ОАО «Рудоавтоматика» в области перспективных систем экскаваторных приводов / А.Я. Микитченко [и др.] // «Горное оборудование и электромеханика». 2008. № 6. С. 21-28.
V. Safoshin, A. Mikitchenko, A. Sholenkov, A. Shevchenko, D. Shevchenko
Improve energy and reliability indicators thyristor excavators electric
Showing lawless and ways to improve energy and reliability of performance indicators thyristor excavator drives.
Keywords: thyristor electric drive, filtrokompensiruyuschie par excellence, reliability.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:621/.69
С.А. Чупин, ген. директор, (351) 775-14-20, [email protected], В.Я. Слепнев, зам. ген. директора по науке и технологии, (351) 775-14-20, v.slepnev@momentum .т,
Е.Я. Омельченко, канд. техн. наук, директор Магнитогорского филиала, (351) 775-14-20, [email protected],
М.Е. Коржавин, нач. отдела новых разработок, (351) 775-14-20, [email protected],
Д.В. Попов, ведущий инж., (351) 775-14-20, [email protected] (Россия, Челябинск, ООО НТЦ «Приводная техника»)
ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИНВЕРТОР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
Представлен транзисторный высоковольтный инвертор для управления скоростью тягового асинхронного двигателя 2,4 кВ и 1250 кВт. Управление двигателем выполнено на основе векторного разомкнутого управления со стабилизацией скорости и ограничением максимального момента и тока статора.
Ключевые слова: инвертор, программное обеспечение, транзисторы, система управления.
Научно-технический центр «Приводная техника» в 2009 г. разработал, изготовил и провел опытные испытания высоковольтного двухканаль-ного инвертора для управления тяговым асинхронным двигателем напряжением 2,4 кВ и мощностью 1,25 МВт для грузового электровоза 2ЭС10,
питающегося от контактной электрической сети постоянного тока 3 кВ. Инвертор включает в себя (рис. 1) сглаживающий дроссель, фильтрующий конденсатор, 8 шт. ЮВТ транзисторов типа СМ600Н0-130Н (65 класс, 600 А), собранных в две мостовые схемы и микропроцессорную систему управления. Двухфазный инвертор по отношению к трехфазному имеет на 30 % меньшие потери.
Рис. 1. Силовая схема инвертора
Используемый тип ЮВТ транзисторов специально предназначен для работы в тяжелых условиях с частыми изменениями нагрузки и позволяет строить высоковольтные преобразователи частоты для тяговых приводов повышенной надежности.
В шкафу двухстороннего обслуживания (рис. 2) размерами 2000*700*1700 см размещаются инверторы для управления двумя тяговыми двигателями, система бесперебойного питания собственных нужд и система управления инверторами. Для охлаждения ЮВТ транзисторов в шкафу расход воздуха составляет 12 тыс. м3 в час.
При разработке программного обеспечения инвертора и опытной проверке были решены следующие задачи: разработана математическая модель двухфазного асинхронного двигателя; разработана математическая модель системы управления; разработана физическая модель тягового электропривода; создан испытательный стенд для тягового электропривода.
Рис. 2. Общий вид шкафа инверторов
Программное обеспечение тягового инвертора выполняет следующие функции:
1) обеспечивает связь с системой управления верхнего уровня;
2) управляет асинхронным двигателем с целью поддержания заданной скорости и ограничением электромагнитного момента;
3) выполняется калибровка датчиков и диагностирование оборудования;
4) защита от аварийных ситуаций.
В инверторе находится управляющее вычислительное устройство, представляющее собой PC-совместимый промышленный компьютер. На каждом вычислительном узле работает программный комплекс. Комплекс состоит из технологического сервера, набора драйверов для взаимодействия сервера с оборудованием ввода-вывода, средств сетевой отладки технологического программного обеспечения и клиентских приложений визуализации и сбора данных.
Комплекс работает под управлением операционной системы реального времени QNX Neutrino 6.
Для отладки технологического программного обеспечения разработан набор инструментов, позволяющих удаленно следить за работой системы. Программное обеспечение для отладки может быть запущенно на любой рабочей станции сети АСУТП, а с помощью GSM-модема и сети Интернет к вычислительной системе можно подключиться из любой точки земного шара.
Отладочное программное обеспечение состоит из отладчика, который позволяет просматривать и модифицировать ячейки памяти технологической программы, и многоканального осциллографа, с помощью которого можно исследовать быстрые процессы во времени.
Технологический сервер допускает одновременное подключение нескольких десятков графических клиентов, при этом обмен данными может осуществляться с периодом 5 мс для обычных переменных и 0,5 мс для трендовых переменных.
Один графический клиент может работать с несколькими технологическими серверами одновременно. Связь графических клиентов с технологическими серверами осуществляется по сети QNET.
В состав программного комплекса входит система архивирования и сбора данных. Система архивирования способна отслеживать и сохранять в базу данных информацию о быстро происходящих событиях. Она также может выполнять функции регистратора и сохранять данные в базу по определенному событию. В качестве хранилища может использоваться СУБД с SQL-интерфейсом. Доступ к системе архивирования осуществляется через web-интерфейс с помощью браузера, например, Microsoft Internet Explorer. Интерфейс позволяет просматривать сохраненные данные в текстовом и графическом виде, выгружать данные во внешний файл.
Программа управления инвертором состоит из девяти основных блоков (см. рис. 1):
Блок обработки заданий - обрабатывает задания на скорость вращения и момент от МПСУиД.
Блок обработки аналоговых сигналов - получает, масштабирует и преобразует в физические величины сигналы с датчиков тока и напряжения.
Блок защит - контролирует работу инвертора. В случае возникновения аварийных ситуаций, блокирует работу инвертора.
Блок диагностики - диагностирует состояние оборудования, определяет его параметры.
Блок идентификации скольжения - оценивает величину скольжения асинхронного двигателя по токам и напряжениям статора (бездатчиковая схема регулирования скорости).
Блок идентификации частоты вращения ротора двигателя на выбеге - оценивает скорость вращения ротора двигателя в случае пуска инвертора во время движения.
Блок регуляторов - реализует логику системы управления инвертора.
Блок управления силовой электроникой - формирует сигналы управления транзисторными ключами.
Блок индикации и визуализации - формирует сигналы для отображения на дисплее модуля управления электропривода и готовит информацию для передачи в МПСУиД.
Блок настройки инвертора - получает сигналы с клавиатуры блока управления инвертора и модифицирует параметры системы управления.
В блоке регуляторов реализован алгоритм управления инвертором, разработанный во время НИР.
Система управления электропривода может работать в двух режимах: в режиме управления моментом и в режиме управления скоростью.
В режиме управления скоростью канал ^ используется для задания величины скорости, а канал М* для задания величины ограничения электромагнитного момента двигателя. В качестве датчика обратной связи по скорости используется блок идентификации скольжения.
В режиме управления моментом канал М* используется для задания величины электромагнитного момента двигателя, а канал ^ для задания максимальной частоты вращения двигателя.
Переключение между режимом управления происходит естественным образом за счет регулирования скольжения двигателя б [1]. Скольжение асинхронного двигателя - это относительная разность частоты вращения магнитного поля и ротора. Заданное скольжение может быть достигнуто либо за счет изменения частоты поля, либо частоты вращения ротора изменением электромагнитного момента двигателя.
В режиме регулятора скорости, когда ограничение на электромагнитный момент двигателя достаточно велико, регулятор скольжения изменяет частоту вращения ротора за счет изменения электромагнитного момента.
Если величина максимального момента ограничивает возможность изменения момента, регулятор скольжения изменяет частоту магнитного поля, подстраивая ее под скорость вращения ротора.
В обоих случаях двигатель работает с заданным скольжением. В качестве заданного значения скольжения б* принимается номинальное скольжение двигателя.
Режим работы двигателя с номинальным скольжением является благоприятным с энергетической точки зрения и удобным для технической реализации системы управления электропривода.
Для удобства синтеза системы управления токи и потокосцепления рассматриваются во вращающейся системе х,у координат, ориентированной по вектору напряжения [2]. В этом случае, соответствующие изображающие векторы переменных величин неподвижны относительно вращающейся системы координат, а их ортогональные составляющие в статическом режиме работы двигателя не изменяются. Это позволяет синтезировать систему управления традиционными методами.
Электромагнитный момент двигателя пропорционален активной составляющей тока статора и потокосцеплению ротора ¥р. Для сохранения постоянства мощности двигателя на скоростях выше основной по мере
увеличения скорости поток уменьшается. Необходимое соотношение определяется блоком «Задатчик потока ротора».
Заданные значения активного тока статора и потокосцепления ротора подаются на соответствующие регуляторы Р1х, Р¥р. Активная составляющая тока статора определяется непосредственно по датчикам тока после координатных преобразований, а величина потокосцепления ротора определяется по величине реактивной составляющей тока статора блоком «Идентификации потока ротора».
Сигналы регуляторов преобразуются из вращающейся системы х,у координат в неподвижную систему а,в координат, связанную со статором.
Регулятор скольжения поддерживает величину скольжения на номинальном уровне. Регулятор скольжения увеличивает задание на момент в случае возрастания скольжения. При достижении максимального момента регулятор снижает частоту вращения электромагнитного поля Р\ Оценка величины скольжения осуществляется с помощью блока идентификации скольжения по статорным токам и напряжениям (Ца, ЦЬ, 1а, 1Ь). Также регулятор скольжения отвечает за переключение преобразователя между двигательным и генераторным режимами.
Имеется несколько уровней диагностирования:
1. Непрерывный расчет и сохранение параметров привода: активная мощность; реактивная мощность; момент приводного двигателя; активный ток; реактивный ток; максимальная амплитуда тока и напряжения каждой фазы; частота вращения привода; температура тягового двигателя; температура радиаторов инверторов; состояние системы охлаждения; состояние всех датчиков. Кроме того, все важные параметры тягового привода (рис. 3) могут храниться в виде трендов (осциллограмм).
Рис. 3. Тренд (осциллограмма) работы электропривода
2. Формирование предупредительных сообщений: предупредительная сигнализация по температуре двигателя; предупредительная сигнализация по температуре инвертора; контроль охлаждающего воздушного потока для инвертора и двигателя; контроль токов и напряжений.
3. Формирование аварийных сообщений: сверхток любой из фаз; нарушение изоляции двигателя или кабеля; недопустимо низкое напряжение питания инвертора; отказ датчиков тока и напряжения; температура двигателя выше допустимой; температура радиаторов выше допустимой.
В результате внедрения высоковольтных инверторов для управления тяговыми асинхронными двигателями за счет рациональных алгоритмов управления снижается расход электроэнергии, за счет оптимальных пусковых, рабочих режимов и эффективной защиты повышается надежность работы тяговых двигателей, в целом повышаются сроки службы оборудования тягового электропривода, снижаются затраты на техническое обслуживание и ремонт электровоза.
Список литературы
1. Усынин, Ю.С. Системы управления электроприводов: учеб. пособие. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001, 358 с.
2. Усольцев А. А. Векторное управление асинхронными двигателями, учебное пособие по дисциплинам электромеханического цикла. СПб: Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики, 2002. 43 с.
S. Chupin, V. Slepnev, E. Omelchenko, M. Kordgavin, D. Popov
Two-channel transistor the high-voltage inverter for management of the traction asynchronous engine
The transistor high-voltage inverter for a speed control of the traction asynchronous engine 2,4 кВ and 1250 kw is presented. Engine management is executed on the basis of the vector opened management with stabilization of speed and restriction of the maximum moment and a current статора.
Keywords: the inverter, the software, transistors, a control system.
Получено 06.07.10
