Обоснование модернизации судовых электроприводов грузоподъемных устройств на системы с использованием преобразователя частоты

УДК 621-313

ОБОСНОВАНИЕ МОДЕРНИЗАЦИИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ УСТРОЙСТВ НА СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

Л. Д. Шабалин, Д. Ю. Чушанков

RATIONALE FOR MODERNIZATION OF SHIP ELECTRICAL CARGO HANDLING GEAR ON THE SYSTEMS USING FREQUENCY CONVERTER

L. D. Shabalin, D. Yu. Chushankov

Целью работы было обоснование модернизации электроприводов судовых грузоподъемных устройств на базе исследования их динамических режимов в системах - асинхронный двигатель с фазным ротором; многоскоростной электродвигатель; преобразователь частоты - асинхронный двигатель и сравнение их энергетических показателей. Для решения поставленной задачи были разработаны модели приводов с электродвигателем с фазным ротором, многоскоростным электродвигателем и приводов по системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель с использованием пакетов прикладных программ MatLab (Simulink). При исследовании всех трех моделей снимали характеристики двигателя, а именно: ток статора ICT(t), ток ротора ^(t), электромагнитный момент Te(t) и потребляемые активную Р^) и реактивную мощности Q(t).

В результате проведенных исследований было установлено, что электропривод асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и преобразователем частоты потребляет меньше электрической энергии, чем многоскоростной привод и привод с фазным ротором примерно на 15-20%. Также стоит отметить, что амплитуды токов при пуске в модернизированной модели на 40% ниже, а время разгона двигателя с преобразователем частоты в два раза меньше, чем у прежних аналогов.

судовые грузоподъемные устройства, электропривод, преобразователь частоты, моделирование, MatLab

The paper concentrates on the rationale for modernization of ship electrical cargo handling gear based on the study of their dynamic modes in the systems: wound-rotor induction motor; multi-speed motor; frequency converter - induction motor; and comparison of their energy performance. In order to solve this task, we have developed drives models with wound-rotor induction motor, multi-speed motor and frequency converter - induction motor involving application packages MatLab (Simulink). While investigating all three models, we checked performance of the engine: stator current Ist (t), rotor current Ip (t), electromagnetic torque Te (t) and consumed active P (t) and reactive power Q (t).

The result of the research is that an electric induction motor with squirrel-cage rotor and frequency converter consumes approximately 15-20% less electricity than a multi-speed motor and wound-rotor induction motor. It is also worth noting that current amplitudes during start-up in the upgraded model are 40% lower than that of the old drive models. Acceleration time of the motor with a frequency converter is two times less than its older prototypes.

cargo handling gears, electric drive, frequency converter, simulation, Matlab

ВВЕДЕНИЕ

В течение долгого времени, начиная с 60-х годов, было очень популярно использовать в качестве электропривода судовых грузоподъемных устройств трехфазный асинхронный электродвигатель с фазным ротором или многоскоростной асинхронный электродвигатель. В настоящее время широкое распространение получили микропроцессорные частотные преобразователи, которые регулируют скорость асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Режим работы электродвигателей грузоподъемных устройств характеризуется частыми пусками и торможениями, широким изменением нагрузок, и поэтому для них применяются специально разработанные серии крановых электродвигателей. По конструктивному исполнению крановые электродвигатели отличаются от двигателей общепромышленного исполнения, имеют повышенный запас прочности механических узлов и деталей, класс нагревостойкости изоляции [1, 2].

В Российской Федерации существует более чем десятилетний опыт внедрения и эксплуатации систем с частотным регулированием. При использовании современных частотных преобразователей регулирование скорости вращения электродвигателя производится путем изменения величины и частоты напряжения питания. КПД подобного преобразования составляет примерно 98%. При этом из сети потребляется только активная часть тока нагрузки, а микропроцессорная система управления позволяет максимально эффективно управлять двигателем и контролировать большое количество параметров. Снижается и риск аварийных ситуаций. Также преимуществами микропроцессорной системы управления являются ее компактность и надежность. Наличие микропроцессора дает возможность программировать частотный преобразователь, что позволяет управлять двигателем в любом режиме автоматически [3].

В работе поставлено несколько основных задач: снижение потребления электроэнергии, уменьшение габаритных размеров установки и наиболее точное управление асинхронным двигателем на базе исследования динамических режимов электроприводов грузоподъемных устройств с электродвигателем с фазным ротором, многоскоростным электродвигателем и электроприводом по системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель.

Для анализа и сравнения работы трех представленных выше систем электроприводов использовался пакет программы MatLab Simulink вместе с пакетом расширения SimPowerSystems (в более ранних версиях — PowerSystemsBlockset), являющийся основой для изучения и исследования устройств силовой электроники и электромеханических устройств [4].

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИВОДА ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ В пакете SimPowerSystems электропривод с фазным ротором имеет следующий вид (рис. 1):

Рис. 1. Модель привода двигателя с фазным ротором Fig. 1. Model of a wound-rotor induction motor

Модель привода (рис. 1) состоит из модели электродвигателя, трех добавочных сопротивлений, включенных в обмотку ротора и изменяющих сопротивление ротора, задатчика момента на валу двигателя и измерительных устройств. Модель привода оснащена дисплеем, на который выводятся такие параметры двигателя, как ток статора, ток ротора, электромагнитный момент, развиваемый двигателем, частота вращения, потребляемые активная и реактивная мощности [5].

При запуске данной модели мы сняли характеристики двигателя, а именно: изменение тока статора 1ст(^), тока ротора рф, электромагнитного момента Те(0 (рис. 2) и изменение активной Рф и реактивной мощностей Q(t) (рис. 3).

Проанализировав полученные графики, можно заметить, что в момент переключения скоростей максимальная амплитуда тока достигает 1000 А, и это достаточно большая величина, что ведет к значительным потерям, которые расходуются на нагрев сопротивлений в цепи ротора. Также следует заметить, что регулирование процесса занимает больше 3 с, а это довольно длительное время для таких токов. Частота вращения двигателя достигает номинальных значений за 3,5 с. Также на недостатки данной системы показали приборы учета, продемонстрировавшие большие скачки потребляемых активной и реактивной мощностей, а следовательно, увеличение потребления энергии и нагрузки на систему.

Рис. 2. Графики зависимостей ICT(t), ^(t), n(t), Te(t) привода с фазным ротором Fig. 2. Dependency diagram Is(t), Ir(t), n(t), Te(t) of the wound-rotor induction motor

Рис. 3. Графики зависимостей P(t), Q(t) привода с фазным ротором Fig. 3. Dependency diagram Р^), Q(t) of the wound-rotor induction motor

МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОСКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Для моделирования многоскоростного (трехскоростного) электродвигателя использовалась Simulink модель (рис. 4), состоящая из трех одинаковых асинхронных двигателей с разным числом пар полюсов, осуществляющих переключение друг с другом эквивалентно переключению обмоток в многоскоростном асинхронном электродвигателе. Многоскоростное исполнение выделяется наличием на статоре двигателя нескольких независимых обмоток, в данном случае двух, одна обмотка подключена двойной звездой (звезда с последовательным соединением катушек) и обеспечивает две скорости, вторая обмотка - третью скорость. Модель также включает в себя измерительные устройства для отображения параметров привода, таких как ток статора, ток ротора, электромагнитный момент, развиваемый двигателем, и частота вращения [2].

Рис. 4. Модель многоскоростного асинхронного двигателя Fig. 4. Model of a multi-speed induction motor

При запуске модели были получены следующие характеристики: зависимости тока статора и тока ротора, электромагнитного момента от времени (рис. 5) и изменения потребления электроэнергии (рис. 6).

Проанализировав полученные графики видно, что в момент переключения скоростей максимальная амплитуда тока достигает 1000 А аналогично электроприводу с фазным ротором, но регулирование процесса занимает больше времени, чем у его аналога. Частота вращения двигателя достигает номинальных значений за 2,5 с. Стоит отметить, что в данной системе приборы учета показали большие скачки активной и реактивной мощностей при переключении скоростей, но при схожем с приводом с фазным ротором потреблении энергии.

Рис. 5. Графики зависимостей Icr(t), Ip(t), n(t), Te(t) многоскоростного двигателя Fig. 5. Dependency diagram Is(t), Ir(t), n(t), Te(t) of the multi-speed motor

Рис. 6. Графики зависимостей P(t), Q(t) многоскоростного двигателя Fig. 6. Dependency diagram P(t), Q(t) of the multi-speed motor

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИВОДА ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ Для моделирования привода с частотным преобразователем использовалась встроенная в библиотеке Simulink модель. Данная модель по исходным характеристикам аналогична предыдущим, но использует короткозамкнутый асинхронный электродвигатель. Модель привода (рис. 7) короткозамкнутого асинхронного двигателя с преобразователем частоты состоит из следующих элементов: модели двигателя с короткозамкнутым ротором, задатчика момента на валу двигателя, преобразователя частоты, измерительных устройств и дисплея для индикации параметров двигателя [5, 6].

Рис. 7. Модель привода асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и

преобразователем частоты Fig. 7. Model of an induction motor with a square-cage rotor and a frequency converter

При запуске модели были получены следующие характеристики: зависимости тока статора и тока ротора, электромагнитного момента от времени (рис. 8) и изменения потребления электроэнергии (рис. 9).

Проанализировав полученные графики, можно сделать следующие выводы. Ток ротора составляет в амплитуде не более 700А при пуске, но в моменты переключения скоростей амплитуда токов не превышает 250А. Номинальная частота вращения достигается за 1,2 с. Также следует отметить, что потребление электроэнергии электроприводом с преобразователем частоты в моменты переключения скоростей ниже, чем электроприводом с фазным ротором и многоскоростным электродвигателем, за счет отсутствия больших скачков мощности при переходных процессах [7, 8].

Рис. 8. Графики зависимостей Icr(t), Ip(t), n(t), Te(t) привода с частотным

преобразователем

Fig. 8. Dependency diagram Is(t), Ir(t), n(t), Te(t) of the induction motor with a

frequency converter

Рис. 9. Графики зависимостей P(t), Q(t) привода с частотным преобразователем Fig. 9. Dependency diagram P(t), Q(t) of the induction motor with a frequency

converter

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам исследования можно сделать вывод, что электропривод, состоящий из асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и преобразователем частоты, потребляет меньше электрической энергии, чем привод с фазным ротором или многоскоростной электродвигатель примерно на 15-20%. Также стоит отметить, что амплитуды токов при пуске в модернизированной модели на 40% ниже, чем у привода с фазным ротором и многоскоростного электродвигателя. В моменты переключения скоростей амплитуды тока ротора у привода с частотным преобразователем достигают 200А, в то время как у привода с фазным ротором и многоскоростного двигателя - 1000А. Время, за которое двигатель разгоняется до номинальных оборотов, у привода с фазным ротором и у многоскоростного двигателя в два раза больше, чем у привода с преобразователем частоты. Таким образом, с учетом вышеизложенного наилучшим способом модернизации электропривода грузоподъемных механизмов с фазным ротором или многоскоростным электродвигателем является применение приводов с асинхронным короткозамкнутым ротором и преобразователем частоты.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Гарпунов, В. М. Электрооборудование кранов металлургических предприятий / В. М. Гарпунов. - 3-е изд., перераб. и доп. Б. М. Рапутовым. -Москва: Металлургия, 1990. - 272 с.

2. Кацман, М. М. Справочник по электрическим машинам / М. М. Кацман. -Москва: Академия, 2005. - 480с.

3. Соколовский, Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием / Г. Г. Соколовский. - Москва: Академия, 2006. - 272 с.

4. Дьяконов, В. Г. VisSim+Mathcad+MATLAB. Визуальное математическое моделирование / В. Г. Дьяконов. - Москва: СОЛОН-Пресс, 2004. - 384 с.

5. Терехин, В. Б. Моделирование систем электропривода в Simulink (Matlab 7.0.1): учеб. пособие / В. Б. Терехин. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 320 с.

6. Stephen, J. Chapman. MATLAB Programming for Engineers, 2012. - 267 с.

7. Vodovozov, V. Electric Drive System and Operation, 2012. - 102 с.

8. J. David Irwin, Power Electronics Handbook. Florida.: University of florida, 2001. - 892 с.

REFERENCES

1. Garpunov V. M. Jelektrooborudovanie kranov metallurgicheskih predprijatij [Electrical equipment of cranes of iron and steel works]. Moscow, Metallurgija, 1990, 272 p.

2. Kacman M. M. Spravochnik po jelektricheskim mashinam [Reference book on electrical machines]. Moscow, Akademija, 2005, 480 p.

3. Sokolovskij G. G. Jelektroprivody peremennogo toka s chastotnym regulirovaniem [Induction motors with a frequency converter]. Moscow, Akademija, 2006, 272 p.

4. D'jakonov V. G. VisSim+Mathcad+MATLAB. Vizual'noe matematicheskoe modelirovanie [VisSim+Mathcad+MATLAB. Visual mathematical modeling]. Moscow, SOLON-Press, 2004, 384 p.

5. Terehin V. B. Modelirovanie sistem jelektroprivoda v Simulink (Matlab 7.0.1): uchebnoe posobie [Modeling of the electric drive systems in Simulink (Matlab 7.0.1): textbook]. Tomsk, izd-vo Tomskogo politehnicheskogo universiteta, 2008, 320 p.

6. Stephen J. Chapman. MATLAB Programming for Engineers. 2012, 267 p.

7. Vodovozov V. Electric Drive System and Operation. 2012, 102 p.

8. J. David Irwin. Power Electronics Handbook. Florida, University of Florida, 2001, 892 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Шабалин Леонид Дмитриевич - Калининградский государственный технический университет; кандидат технических наук, доцент кафедры электрооборудования судов и электроэнергетики; E-mail: shabalin@klgtu.ru

Shabalin LeonidDmirievich - Kaliningrad Stat Technical University; Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Department of Ship Electrical Equipment and Electrical Energy; E-mail: shabalin@klgtu.ru

Чушанков Дмитрий Юрьевич - фирма «Green Managment», г. Калининград; инженер-электромеханик; E-mail: chushankov@gmail.com

Chushankov Dmitriy Yurievich - Electro-technical engineer; E-mail: chushankov@gmail.com