CC BY
11
УДК 621.398
В.В.ИВАНИК
Горно-электромеханический факультет, группа ЭРм-02,
ассистент профессора
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВОЗВРАТНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ С АЛГОРИТМОМ ПРЯМОГО УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ
Проведено имитационное моделирование резонансного электропривода возвратно-вращательного движения (ВВД) динамически уравновешенного бурового снаряда с алгоритмом прямого управления моментом (DTC). Разработана система управления. Приведены результаты моделирования разомкнутой и замкнутой электромеханической систем (ЭМС).
Imitating modelling the resonant electric drive of return-rotary movement (RRM) for dynamically the counterbalanced chisel shell with algorithm of a direct torque control (DTC) is lead. The control system is developed. Results of modelling opened and closed electromechanical systems (EMS) are resulted.
Силовые резонансные электроприводы ВВД могут применятся в обогатительном оборудовании (вибрационные щековые дробилки, вибросита, виброгрохоты), а также для привода динамически уравновешенного бурового снаряда (ДУБС) на грузонесущем кабеле для очистки призабойных зон скважин, бурения ледников, взятия донных проб на шельфе и подледниковых озер Антарктиды. Традиционные вращательные электроприводы с дебалансным вибровозбудителем, применяемые в указанных устройствах, не могут обеспечить работу в резонансном режиме из-за сложности автоматического поддержания требуемого фазового соотношения между скоростью и движущим моментом.
Отличительная особенность колебательного электропривода возвратно-вращательного движения от традиционного заключается в том, что при таком движении ротора имеются особые точки, в которых его угловая скорость равна нулю. Известно несколько схем реализации знакопеременного момента на валу двигателя в режимах возвратно-вращательного движения [1, 2].
В работе исследуется резонансный электропривод ВВД с DTC динамически уравновешенного бурового снаряда на базе штатного погружного асинхронного электродвигателя (ПЭДУК) [3]. Использование штатного оборудования обеспечивает простоту изготовления установки, а также снижение капитальных затрат.
Система DTC обладает высоким быстродействием (вычисление потокосцепления и момента занимает не более 5 мс) и может быть использована для создания замкнутых бездатчиковых автоколебательных систем с частотами до 40 Гц.
Динамически уравновешенный буровой снаряд на грузонесущем кабеле представляет собой двухмассовую систему, в которой сумма моментов, приложенных к верхней J1
и нижней J2 частям, равна нулю в любой
момент времени (рис.1, а) [2].
Математическое описание электромеханической системы ДУБС представлено в [4] и имеет вид
[- с(ф2 - ф1) = -M + M i J2Ф2+ С(ф2 -Ф1) = -M6 - Mй,
(1)
-M = Мд I
Ро,
+My1
-Ф1 А - А
■Л
IM' t
тттСЗМт?
T^-mct
■"IM = Мд
+Ф2
M, ф, ф'
M
777
Рис.1. Динамически уравновешенный буровой снаряд: а - расчетная схема, б - фазовые соотношения полного угла закручивания торсиона ф, скорости ф' и электромагнитного момента М при ВВД
на резонансной частоте
а
б
где М - электромагнитный момент корот-козамкнутого асинхронного двигателя, Н-м; Му - момент упругого элемента, Н-м; Мжт1 - момент жидкостного сопротивления на верхней части снаряда, Н-м; Мс - суммарный момент сопротивления на нижней части снаряда, Н-м; ф1 - угол поворота верхней части бурового снаряда, рад; ф2 -угол поворота нижней части бурового снаряда, рад; J1 - момент инерции верхней части бурового снаряда, кгм2; J2 - момент инерции нижней части бурового снаряда, кг-м2; с - коэффициент жесткости торсиона, (Н-м)/рад.
Анализируя ВВД рассматриваемой ЭМС на резонансной частоте (рис.1, б) и свойства современных систем DTC, можно сформулировать алгоритм и закон управления резонансными автоколебаниями при различных нагрузках:
1) по наблюдаемым координатам вычисляется с заданной точностью момент времени перехода кривой угловой скорости ротора через ноль [5];
2) выполняется реверс электромагнитного момента в вычисленные моменты времени.
Такое управление формирует управляющее воздействие в соответствующие резонансным условиям моменты времени (рис.1, б) и делает систему инвариантной к
нагрузке и к изменениям динамических параметров ЭМС. Аналогом действия такого закона управления может служить процесс поддержания амплитуды движения детской качели приложением к ней встречно направленной силы в моменты изменения направления движения качели при нулевой скорости.
Имитационная модель (рис.2) включает в себя: 1 - блок моделирования системы управления электроприводом с алгоритмом прямого управления моментом; 2 -блок моделирования асинхронного электродвигателя; 3 - блок моделирования механической системы ДУБС; 4 - прибор для отображения токов в обмотках двигателя, скоростей и углов поворота роторной и статорной частей бурового снаряда; 5 -прибор для отображения полного угла поворота торсиона, скорость суммарного угла поворота и электромагнитного момента электродвигателя; 6 - блок моделирования момента жидкостного сопротивления в верхней части снаряда; 7 - блок моделирования момента сопротивления на буровой коронке; 8 - блок выявления нулевых точек скорости ротора и реверсирования момента; 9 - блоки для формирования сигналов задания для различных исследуемых режимов.
12 3 4
Рис.2. Блок-схема имитационной модели ДУБС с асинхронным электроприводом с прямым управлением моментом
у, m, о.е.
0,8
0,6
0,4
0,2
т
у' / у
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-1
15,05
15,1
15,15
15,2
15,25
15,3
15,35
15,4
15,45 t, с
Рис.3. Работа системы в режиме автоколебаний на резонансной частоте при замкнутой системе с разработанными алгоритмом и законом управления
у' = ф'/ф'тах, ф'шпх = 100 рад/с, у = ф/ф„ж, фшах = 2 рад, т = М/Мном, Мном = 70 Н-м
0
Модель позволяет получать осциллограммы углов и скоростей частей снаряда, полный угол закручивания торсиона и его производную, токи, напряжения и электро-
магнитный момент электродвигателя для разомкнутой и замкнутой систем управления при различных нагрузках и динамических параметрах ЭМС.
При исследовании режимов с разомкнутой системой управления установлено, что обеспечение автоколебаний на резонансной частоте ЭМС с такой системой управления невозможно, т.е. система неработоспособна.
Исследованы режимы резонансных колебаний различных видов нагрузки при сухом и вязком трении, случайных нагрузках и их комбинациях. Установлено, что система с принятыми алгоритмом и законом управления обеспечивает устойчивую работу системы в резонансном автоколебательном режиме при изменении нагрузки в широком диапазоне (рис.3).
Основные выводы:
1. Резонансные автоколебательные системы с разомкнутой системой и ручным управлением неработоспособны.
2. Автоколебательные системы электропривода с прямым управлением моментом с замкнутой системой управления могут обеспечить работу на частотах до 40 Гц.
3. Разработанные алгоритм и закон управления автоколебаниями ЭМС динамически уравновешенного бурового снаряда обеспечивают устойчивую работу в режиме автоколебаний на резонансной частоте при изменении нагрузок на буровой коронке в широком диапазоне.
4. Надежная работа системы в авто-
колебательном режиме достигается за счет того, что на каждом периоде работы вычисляются моменты времени, в которых угловая скорость ротора близка или равна нулю и выполняется реверсирование электромагнитного момента электродвигателя, создавая тем самым условие поддержания резонансных колебаний.
5. Расстройка параметров блока вычисления моментов времени нулевой скорости ротора в диапазоне ±5 % от расчетных не приводит к потери управляемости резонансного автоколебательного режима.
ЛИТЕРАТУРА
1. Луковников В.И. Электропривод колебательного движения. М.: Энергоатомиздат, 1984.
2. Пат. 228420 РФ. МКИ3 Е 21 В 4/04. Колонковый буровой снаряд с электроприводом / Э.А.Загривный,
B.А.Соловьев. Опубл. 10.05.04. Бюл№ 13.
3. Соловьев В.А. Особенности электропривода динамически уравновешенного бурового снаряда на грузо-несущем кабеле / Сборник научных трудов ЮРГТУ. № 12. Новочеркасск, 2001.
4. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле /
C.П.Тимошенко, Д.Х.Янг, У.Уивер. М.: Машиностроение, 1985.
5. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями (моделирование, расчет, применение) / М.В.Пронин, А.Г.Воронцов, П.Н.Калачиков, А.П.Емельянов; ОАО Силовые машины. СПб, 2004.
Научный руководитель д-р т. н. проф. Э.А.Загривный
