Перспективы применения пространственно-векторной модуляции в системе электроприводов пластинчатого питателя

Решетняк С. Н. Reshetnyak S. N.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергетика и энергоэффективность горной промышленности», ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация

УДК 622:621.31

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВЕКТОРНОЙ МОДУЛЯЦИИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЛАСТИНЧАТОГО ПИТАТЕЛЯ

Развитие современной экономики подразумевает внедрение современных средств и новейших технологий в процесс добычи и переработки полезного ископаемого. Новые технологии предусматривают повышенную энергоэффективность и дают возможность снизить потребление электроэнергии, что, в свою очередь, позволит снизить себестоимость добычи и переработки полезного ископаемого. Также следует отметить, что современные системы управления позволяют значительно снизить влияние человеческого фактора на принятие решения.

В процессе транспортировки полезного ископаемого значительное место занимают машины непрерывного действия, к которым можно отнести конвейерные линии различного назначения. Основным элементом по транспортировке полезного ископаемого в пределах обогатительной фабрики является пластинчатый питатель.

В представленной статье рассмотрены различные способы управления системой электропривода пластинчатого питателя обогатительной фабрики. Рассмотрены достоинства и недостатки системы управления электроприводом преобразователем частоты со скалярным и пространственно-векторным управлением, влияние работы системы электропривода с преобразователем частоты на питающую сеть, также рассмотрена технологическая цепочка обогатительной фабрики по переработке железной руды и определен круг систем электроприводов, необходимых для модернизации. Анализ систем электроприводов с различными способами управления позволяет сделать вывод, что при использовании пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции в значительной степени расширяется возможность ее использования для ряда машин и механизмов непрерывного действия.

Ключевые слова: питатель обогатительной фабрики, электропривод питателя, система управления, скалярное управление, векторное управление.

THE PROSPECTS FOR APPLICATION OF SPACE VECTOR MODULATION IN THE MOTOR DRIVE SYSTEM OF THE FEEDER PLATE

The development of the modern economy implies the introduction of modern means and latest technologies in the production process of mineral processing. New technologies provide increased efficiency and provide an opportunity to reduce electricity consumption. This in turn will reduce the cost of extraction and processing of minerals. It should also be noted that modern management systems can significantly reduce the influence of human factors on decision making.

In the process of transportation of minerals, a significant place is occupied by the machines of continuous action, which include conveyor line for various purposes. The main element for transportation of minerals within the concentrator is a rotary vane feeder.

The paper presents the various ways the management system of the drive plate of the feeder concentrator. The advantages and disadvantages of electric drive control system of the frequency converter with a scalar and space vector control, the impact of the system of the electric drive with frequency converter on the supply network. Also considered technological chain of processing plant for processing iron ore and identified a number of electric drives required for modernization. Analysis of systems of electric drives with different control methods leads to the conclusion that when using the space-vector pulse-width modulation greatly expands the possibility of its use for a number of cars and mechanisms of continuous action.

Key words: feeder concentrator, electric feeder, control system, scalar control, vector control.

Electrical facilmes and systems

В настоящее время большое внимание уделяется современным энергоэффективным технологиям, способным снизить себестоимость разведки, добычи и переработки полезных ископаемых [1, 2]. Разрабатываются инновационные сценарии исследования энергетической эффективности в рамках предприятий по добыче и переработке полезного ископаемого с использованием мультипликационных (энергоинформационных) моделей на базе нечеткой логики по всему технологическому циклу [3].

Энергоинформационная модель предприятия минерально-сырьевого комплекса на основе топологических матриц, содержащих необходимые сведения о техническом состоянии оборудования, позволит получить не только номинальные значения, а значения в режиме реального времени. Эту информацию можно использовать не только как числовые значения переменных, но также как и систему информационной поддержки управления жизненным циклом электротехнического комплекса элементов [4].

Помимо энергоинформационных моделей разрабатываются новые энергоэффективные режимы работы оборудования, которые позволяют повысить производительность и снизить удельные показатели электропотребления [5].

Развитие современных систем управления электроприводом позволяет значительно расширить область применения, в частности на пластинчатый питатель. Данное устройство представляет собой систему транспортировки горной массы для ее равномерной подачи в дробильный комплекс. В качестве транспортируемого материала могут выступать: руда, уголь, известняк, горячие заготовки, другое сырье, которое является питанием дробильного комплекса.

Первый подобный питатель был сконструирован в 1878 году и имел паровой двигатель. Устройство применялось при добыче золота Верхне-Амурской компанией (Россия). В дальнейшем подобные устройства с использованием электрических двигателей нашли широкое применение при добыче других полезных ископаемых.

Все пластинчатые питатели подразделяются на средние и тяжелые. Средние питатели позволяют транспортировать куски диаметрами не более 50 см, тяжелые питатели позволяют транспортировать сырье диаметрами до 120 см.

В качестве системы электропривода в большинстве случаев применяется асинхронный двигатель с корот-козамкнутым ротором, включенный непосредственно в питающую линию, иногда применяются асинхронные многоскоростные электроприводы. Однако в последнее время система управления электроприводом значительно модернизируется за счет использования статических преобразователей частоты [6, 7].

Система «преобразователь частоты — асинхронный двигатель» (ПЧ-АД) представляет собой двух-звенный преобразователь частоты, в качестве нагрузки которого выступает асинхронный двигатель с корот-козамкнутым ротором. Использование данной системы позволяет получить возможность регулирования скорости движения пластинчатого питателя и,

как следствие, регулировать подачу руды в технологическую цепь обогатительной фабрики, а также значительно повысить точность управления системы электропривода на резкое изменение нагрузки на питателе.

Технологическая цепь обогатительной фабрики по переработке железной руды представлена на рисунке 1. Железная необогащенная сидерито-мартитовая руда подается из карьера на перегрузочный склад железнодорожным транспортом. Аглоруда с перегрузочного склада в приемный бункер обогатительной фабрики подается автосамосвалами. Из приемного бункера пластинчатым питателем 1-24-120 аглоруда подается на колосниковый грохот, где производится классификация материала по крупности. Надрешетный продукт грохота поступает в щековую дробилку. Дробленый и подрешетный продукты ленточным конвейером ЛК № 2 подаются в промежуточные бункера линий среднего дробления № 1 и № 2. Из промежуточных бункеров аглоруда пластинчатыми питателями 1-15-45 подается на грохот ГИТ-52М. Производительность пластинчатого питателя регулируется ступенчато, путем изменения частоты вращения 4-скоростных асинхронных электродвигателей. Подрешетный продукт грохота является готовым продуктом процесса переработки. Подрешетный продукт конвейерами ЛК № 10, ЛК № 26, ЛК № 27, ЛК № 28 подается на реверсивный катучий (передвижной) конвейер ЛК № 29. Надрешетный продукт грохота поступает в дробилки среднего дробления на домол. Согласно технологической цепи в процессе переработки принимают участие 12 пластинчатых питателей, поэтому модернизация их системы управления электроприводами за счет более современных систем управления является актуальной задачей.

В состав современных электромеханических систем горного оборудования входят статические полупроводниковые преобразователи, которые позволяют адаптировать режимы работы электромеханических систем под конкретные показатели энергоэффективности, а именно показатели максимального грузопотока, максимальной производительности, минимального потребления электрической энергии, снижения динамических нагрузок и т.д. Однако при работе статических преобразователей, к которым следует отнести преобразователь частоты (система электропривода: «преобразователь частоты — асинхронный двигатель») и управляемый выпрямитель (система электропривода: «управляемый выпрямитель — двигатель постоянного тока»), значительно повышается уровень высших гармоник в системе электроснабжения, что крайне негативно влияет на качество электрической сети предприятия. Вопросы повышения качества энергетических показателей на предприятиях минерально-сырьевого кластера являются достаточно актуальными в современных энергоэффективных системах электропривода горных машин и механизмов [8, 9].

Система управления электроприводами может быть выполнена с использованием двух методов частотного управления: скалярного и векторного. Наиболее распространены системы частотного управ-

Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 12, 2016

Рисунок 1. Технологическая схема переработки руды

Electrical facilities and systems

ления электроприводами со скалярным управлением, благодаря чему обеспечивается постоянная перегрузочная способность асинхронного двигателя практически во всем диапазоне частот. Исключением является работа системы управления электроприводом на низких частотах, где возможно значительное снижение момента двигателя. Реализация этой схемы управления возможна при наличии в системе управления двух датчиков скорости и момента. Однако следует отметить, что скалярное управление асинхронным двигателем возможно только по одному из параметров: скорость или момент двигателя, по этой причине одновременное регулирование скорости и момента приводного двигателя невозможно, поэтому выбирается наиболее важный параметр в силу условий технологического процесса [10]. Функциональная схема

системы асинхронного электропривода со скалярным управлением представлена на рисунке 2.

Решение задачи возможно при использовании пространственно-векторного управления асинхронного электропривода. Функциональная схема системы асинхронного электропривода с пространственно-векторным управлением представлена на рисунке 3.

На начальном этапе производства асинхронных электроприводов с пространственно-векторным управлением использовались электродвигатели с встроенными датчиками потока, что значительно ограничивало их область применения [11].

Развитие теории систем управления электроприводами позволило создать систему управления, содержащую математическую модель электропривода,

Рисунок 2. Функциональная схема системы асинхронного электропривода со скалярным управлением

Рисунок 3. Функциональная схема системы асинхронного электропривода с пространственно-векторным управлением без датчика скорости

38-

Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 12, 2016

позволяющую производить вычисление скорости вращения и момента вала двигателя.

Исходными параметрами для вычисления являются значения токов фаз статора, получение этих данных не является трудной задачей. К сегодняшнему дню сформировано несколько систем пространственно-векторного управления с датчиком скорости и без него.

Стратегия построения пространственно-векторного управления базируется на векторном представлении совокупности выходных напряжений многофазного инвертора. Силовая система автономного инвертора напряжения содержит шесть ключей, каждый из которых может находиться в одном из двух состояний: включенном или выключенном. Каждая комбинация состояний ключей обеспечивает определенную совокупность линейных и фазных напряжений на выходе инвертора, т.е. определенный вектор выходных напряжений.

Алгоритм управления ключами автономного инвертора в режиме пространственно-векторной модуляции основан на формировании на каждом временном интервале требуемого положения вектора напряжения в пространстве. В импульсном источнике питания возможно формирование восьми состояний (положений) вектора напряжения, включая два нулевых, формируемых инвертором при замыкании нечетных и четных ключей [12].

Трехфазный электропривод АИН с ШИМ должен формировать мгновенные значения напряжений (средние за период несущей частоты) на трех фазах. Переключение каждого вентиля изменяет напряжения на всех фазах. Это осложняет разработку алгоритма

управления вентилями. Управление упрощается, если формировать не фазные напряжения (векторы фазных напряжений), а перейти к формированию пространственного (не временного) вектора, введенного в теории электрических машин.

Согласно этой теории, три симметричных фазных напряжения при отсутствии нулевого провода могут быть представлены одним пространственным вектором (space vector), однозначно определяющим эти напряжения. В литературе этот вектор называют также обобщенным вектором, результирующим вектором, коммутирующим вектором [12].

Традиционные методы ШИМ основаны на сравнении сигнала задания с сигналом пилообразного напряжения, в результате чего в обмотках АД формировалась последовательность прямоугольных импульсов, скважность которых изменялась в соответствии с сигналом задания. Однако из-за влияния электромагнитных процессов (прежде всего ЭДС вращения) характер изменения токов в обмотках не имеет однозначной связи с законом изменения сигнала управления и сильно зависит от режима работы АД.

Проведя анализ систем электроприводов с различными способами управления, делаем вывод, что при использовании пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции система электропривода отличается повышенной устойчивостью к возмущающим воздействиям, быстродействием, возможностью отсутствия датчика скорости, повышенным за счет снижения потерь из-за намагничивания и нагрева КПД двигателя, что в значительной степени расширяет возможности ее применения для ряда машин и механизмов.

Список литературы

1. Fashilenko V.N., Reshetnyak S.N. Improving the energy performance of industrial enterprises // Miner's week — 2015: Reports of the XXIII international scientific conference. — 2015. — P. 570-573.

2. Fashilenko V.N., Reshetnyak S.N. Energy efficient resonant mode of electromechanical system mining machines based on management structures with PIDcontroller // Miner's week — 2015: Reports of the XXIII international scientific conference. — 2015. — P. 608-612.

3. Lyakhomsky A.V., Perfil'eva E.N., Petrochenkov A.B. Conceptual design and engineering strategies to increase energy efficiency at enterprises // Russian Electrical Engineering. — 2015. — Т. 86. — № 6. — P. 305-308.

4. Petrochenkov A.B. An information of industrial electrotechnical complexes // Russian Electrical Engineering. — 2015. — Т. 86. — № 6. — P. 692-696.

5. Фащиленко В.Н. Теория управляемого электромеханического резонанса. — Saarbrücken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014. — Ч. 1. — 101 с.

6. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов: учебник для вузов // Серия «Высшее профессиональное образование: Электротехника». — 2-е изд., стер. — М.: Академия, 2006. — 304 с.

7. Онищенко Г.Б. Электрический привод: учебник для вузов. — 2-е изд., стер. — М.: Академия, 2008.

— 288 с.

8. Шевырёв Ю.В. Повышение качества электрической энергии в сетях с полупроводниковыми преобразователями // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № 4. — С. 234-241.

9. Осипов О.И., Бабкин Е.А., Шевырёв Ю.В. Энергетические показатели электротехнического комплекса буровой установки // Вестник МЭИ. — 2010. — № 1. — С. 42-45.

10. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для вузов.

— М.: Академия, 2006. — 272 с.

11. Петрушин В.С. Асинхронные двигатели в регулируемом электроприводе: учеб. пособие. — М.: Наука и техника, 2006. — 320 с.

12. Алексеев В.В., Вершимин В.И., Козярук А.Е., Язев В.Н. Выбор типа модели асинхронного двигателя

ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS

при компьютерном моделировании электромеханических процессов, протекающих в частотных электроприводах с алгоритмами скалярного и векторного управления. — URL: http://www.online-electric.ru/confer.php.

References

1. Fashilenko V.N., Reshetnyak S.N. Improving the energy performance of industrial enterprises // Miner's week — 2015: Reports of the XXIII international scientific conference. — 2015. — P. 570-573.

2. Fashilenko VN., Reshetnyak S.N. Energy efficient resonant mode of electromechanical system mining machines based on management structures with PIDcontroller // Miner's week — 2015: Reports of the XXIII international scientific conference. — 2015. — P. 608-612.

3. Lyakhomsky A.V., Perfil'eva E.N., Petrochenkov A.B. Conceptual design and engineering strategies to increase energy efficiency at enterprises // Russian Electrical Engineering. — 2015. — T. 86. — № 6. — P. 305-308.

4. Petrochenkov A.B. An information of industrial electrotechnical complexes // Russian Electrical Engineering. — 2015. — T. 86. — № 6. — P. 692-696.

5. Fashchilenko V.N. Teoriya upravlyaemogo elek-tromekhanicheskogo rezonansa. — Saarbrücken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014. — Ch. 1. — 101 s.

6. Terekhov V.M., Osipov O.I. Sistemy upravleniya elektroprivodov: uchebnik dlya vuzov // Seriya «Vysshee professional'noe obrazovanie: Elektrotekhnika». — 2-e izd., ster. — M.: Akademiya, 2006. — 304 s.

7. Onishchenko G.B. Elektricheskii privod: uchebnik dlya vuzov. — 2-e izd., ster. — M.: Akademiya, 2008.

— 288 s.

8. Shevyrev Yu.V. Povyshenie kachestva elektrich-eskoi energii v setyakh s poluprovodnikovymi preobrazo-vatelyami // Gornyi informatsionno-analiticheskii byul-leten'. — 2011. — № 4. — S. 234-241.

9. Osipov O.I., Babkin E.A., Shevyrev Yu.V. Energeticheskie pokazateli elektrotekhnicheskogo kom-pleksa burovoi ustanovki // Vestnik MEI. — 2010. — № 1. — S. 42-45.

10. Sokolovskii G.G. Elektroprivody peremennogo toka s chastotnym regulirovaniem: uchebnik dlya vuzov.

— M.: Akademiya, 2006. — 272 s.

11. Petrushin V.S. Asinkhronnye dvigateli v reguliru-emom elektroprivode: ucheb. posobie. — M.: Nauka i tekhnika, 2006. — 320 s.

12. Alekseev V.V., Vershimin V.I., Kozyaruk A.E., Yazev V.N. Vybor tipa modeli asinkhronnogo dvigatelya pri komp'yuternom modelirovanii elektromekhanich-eskikh protsessov, protekayushchikh v chastotnykh elek-troprivodakh s algoritmami skalyarnogo i vektornogo upravleniya. — URL: http://www.online-electric.ru/ confer.php.

Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 12, 2016