Частотно-токовая система релейно-векторного управления асинхронным электроприводом механизма передвижения мостового крана

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧАСТОТНО-ТОКОВАЯ СИСТЕМА РЕЛЕЙНО-ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ МЕХАНИЗМА ПЕРЕДВИЖЕНИЯ МОСТОВОГО КРАНА

Г.А. Федяева, Т.В. Сморудова,

Д.В. Кочевинов, Д.В. Конохов

Аннотация

Представлена частотно-токовая система релейно-векторного управления электроприводом механизма передвижения, позволяющая корректировать поперечное смещение с высоким быстродействием и точностью. Приведены результаты моделирования.

Ключевые слова: мостовой кран, асинхронный электропривод, система управления, перекос, поперечное смещение, блок коррекции, бесконтактные датчики, электромеханическая модель.

Annotation

G.A. Fedyaeva, T.B. Smorudova, D.V. Kochevinov, D.V. Konokhov

FREQUENCY-CURRENT SYSTEM FOR RELAY VECTOR CONTROL OF NONSYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE IN BRIDGE CRANE TRAVEL MECHANISM

This paper reports the variant for the advancement of the functional circuit and algorithms to control a bridge crane travels with the correction of misalignment and transverse displacement on basis of the use of new systems of a non-synchronous electric drive with frequency control. It is offered to use a simple and reliable frequency - current with an autonomous inverter of current and a relay-vector algorithm of control. A functional circuit of the system of frequency-current control for the mechanism of a bridge crane travel with the correction of misalignment and transverse displacement. To analyze a crane position there are used differential values obtained by means of the indication difference in contactless sensors measuring a distance from the preset crane points to rails on the opposite supports. The procedure for the computation of control system parameters is stated. For the check of created functional circuits and algorithms of control there is used a complex electromechanical computer model of a bridge crane with a high degree of detailed elaboration (a virtual prototype of a bridge crane). The modeling results of are shown. The shown frequency - current system of control with the correction of misalignment and transverse displacement allows the decrease of threshold differential valuations and the increase of speed and accuracy of regulation.

Key words: bridge crane, non-synchronous electric drive, control system, misalignment, transverse displacement, correction block, contactless sensors, electromechanical model.

Основная часть

Подъемно-транспортные машины широко используются для перемещения грузов в производственных отраслях, на транспорте и в строительстве. В наиболее тяжелых условиях и интенсивных режимах работают мостовые краны. Раскачивание транспортируемого груза и перекос фермы моста вызывают динамические перегрузки, что ведет к преждевременному выходу из строя элементов механизмов кранов и подкрановых конструкций.

Самым эффективным способом снижения динамических нагрузок является модернизация существующих схем электроприводов и внедрение новых. В настоящее время в подъемно-транспортном машиностроении активно внедряются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АКЗ). Это открывает широкие возможности для создания высокодинамичных способов и алгоритмов управления в рамках систем асинхронного электропривода различного класса.

В данной статье рассмотрен вариант совершенствования функциональной схемы и алгоритмов управления механизма передвижения мостового крана с коррекцией перекоса и поперечного смещения на базе использования новых систем асинхронного частотно-регулируемого электропривода. Это позволит снизить динамические нагрузки, вызываемые перекосом и поперечным смещением тележки с грузом, и обеспечить бесперекосное движение.

Для проверки созданных функциональных схем и алгоритмов управления была использована комплексная электромеханическая компьютерная модель мостового крана с высокой степенью детализации (виртуальный прототип мостового крана) с асинхронным электроприводом механизма передвижения на основе совмещения программных комплексов (ПК) «Универсальный механизм» («УМ») и MatLab/Simulink [1; 2]. Адекватность модели механической подсистемы мостового крана проверена путем сравнения результатов моделирования отдельных режимов движения мостового крана грузоподъемностью 70 т с аналитическими расчетами.

Основой для разработки современных систем управления асинхронными электроприводами является принцип классического векторного управления [3], который позволяет синтезировать алгоритмы управления с высокими энергетическими характеристиками. Однако они имеют ряд недостатков, связанных со сложностью системы управления и повышенной чувствительностью к возмущениям. Существенно увеличить быстродействие и снизить чувствительность, а также получить предельно достижимые динамические характеристики привода с учетом заданных физических ограничений позволяет применение принципов релейно-векторного формирования алгоритмов управления [4].

Для синтеза систем управления применяется математическое описание асинхронного двигателя на основе обобщенной машины. Уравнения наиболее компактно записываются с использованием метода пространственного вектора [3]:

частотный релейный электропривод передвижение

где _эл = р_П; р_П - число пар полюсов двигателя; ? угловая скорость (частота вращения) ротора; - результирующие векторы потокосцеплений статора и ротора асинхронной машины соответственно; и - векторы напряжений и токов статора и ротора соответственно, для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором ; R_S, R_R, L_S, L_R и L_m - активные сопротивления, полные индуктивности обмоток статора и ротора, индуктивность от главного потока соответственно (параметры ротора и L_m приведены к статору); М - электромагнитный момент двигателя; М_с - момент сопротивления на валу; J ? суммарный момент инерции ротора и связанных с ним масс; _k - частота вращения системы координат; Mod ? модуль векторного произведения; k_M - коэффициент пропорциональности (свой для каждой пары векторов).

Для реализации в электроприводе механизма передвижения мостового крана предлагается использовать простую и надежную частотно-токовую систему с автономным инвертором напряжения (АИН) и релейно-векторным алгоритмом управления. Алгоритм реализуется в осях x, y, вращающихся со скоростью магнитного поля АКЗ, при условии ш_R = ш_Rx = ш_Rн = const, где ш_Rн ? номинальное потокосцепление ротора.

Функциональная схема системы частотно-токового управления механизма передвижения мостового крана с коррекцией перекоса и поперечного смещения при использовании четырех датчиков расстояния представлена на рис. 1 [5]. Данная система содержит для каждого двигателя (М1/М2) три внутренних контура релейного регулирования фазных токов (РФТ) статора, обеспечивающих работу АИН в токовом режиме. Гистерезис релейного регулятора д выбирается исходя из допустимой величины пульсаций электромагнитного момента и допустимой частоты переключений вентилей АИН. Распределители импульсов (РИ) осуществляют распределение сигналов управления по шести ключам АИН с учетом формирования задержек при переключениях ключей одной фазы.

Данная система управления представляет собой замкнутую двухконтурную систему регулирования скорости АКЗ (М1/М2) с коррекцией перекоса по сигналам бесконтактных датчиков расстояния. Обратные связи в соответствующих контурах регулирования формируются с учетом принятых коэффициентов обратной связи по скорости (К_ос) и току (К_от). Блок задания момента (БЗМ) формирует сигнал задания момента двигателя с учетом ограничений. Сигнал I_зу (сигнал задания тока по оси у) задает момент двигателя, сигнал I_зx (сигнал задания тока по оси x) задает величину потокосцепления ротора.

Переход от системы координат x, y к фазным координатам осуществляется координатным преобразователем (КП). Необходимая для этого угловая скорость магнитного поля АКЗ определяется выражением

щ₀ = щ + щ_ск, (2)

где щ₀ - сигнал задания угловой скорости магнитного поля АКЗ; щ - сигнал задания угловой скорости ротора двигателя; щ_ск - сигнал задания угловой скорости скольжения.

Рис. 1 Функциональная схема системы частотно-токового управления механизма передвижения мостового крана с коррекцией перекоса и поперечного смещения

При ш_R = const угловая скорость скольжения пропорциональна моменту. Коэффициент пропорциональности К₁ определяется с учетом уравнения, связывающего скорость скольжения с током статора по оси y, по выражению [6]

К₁= L_mK_ОС/(К_ОТр_ПТ₂), (3)

где К₁ - коэффициент пропорциональности между сигналом задания тока статора по оси y и сигналом задания угловой скорости скольжения; Т₂ - постоянная времени роторной цепи,

Т₂ = L_R/R_R.

Координатный преобразователь КП осуществляет преобразование сигналов обобщенной машины, представленной уравнениями (1), из двухфазной координатной системы x, y, вращающейся со скоростью магнитного поля, в естественную трехфазную неподвижную систему координат А, В, С по следующим формулам:

(4)

где

(5)

Электромагнитный момент двигателей (М1/М2) в данной системе пропорционален току по оси y и определяется по формуле

М = (3/2)p_ПК₂ш_R•I_Sy, (6)

где М - электромагнитный момент двигателя; I_Sy - ток статора по оси y; К₂ - коэффициент пропорциональности,

К₂ = L_m/L_R.

Итак, на выходе координатного преобразователя КП мы имеем задание на токи статора в фазах А, В и С. Ввиду высокого быстродействия релейных регуляторов тока внутренний контур регулирования момента (тока по оси y, которому пропорционален момент) является практически безынерционным.

Рис. 2 Схема расположения бесконтактных датчиков: М1 и М2 - электродвигатели левой и правой опор соответственно

Внешний контур скорости кроме почти безынерционного контура момента включает механическую часть электропривода. С учетом того, что постоянная времени контура момента ф ? 0, передаточная функция контура скорости имеет вид

, (7)

где W_КСр - передаточная функция разомкнутого контура скорости; К_ОМ - коэффициент обратной связи по моменту; Т_М - механическая постоянная времени.

Коэффициент обратной связи по моменту можно рассчитать, исходя из максимальных значений электромагнитного момента и тока по оси y, по формуле

К_ОМ = К_ОТ М_м/I_Syм, (8)

где М_м - максимальное значение электромагнитного момента; I_Syм - максимальное значение тока по оси y.

Нагрузку электропривода в данной системе можно принять в виде вязкого трения, тогда механическая постоянная времени определяется как

Т_М = J_?/К_ВТ, (9)

где К_ВТ - коэффициент вязкого трения.

В электроприводе механизма передвижения мостового крана с целью коррекции перекоса регулятор скорости целесообразно выбрать пропорциональным, тогда коэффициент усиления регулятора скорости определяется по выражению

К_РС = К_У К_ОМ К_ВТ /К_ОС, (10)

где К_У - коэффициент усиления разомкнутого контура скорости.

Для анализа положения крана используются дифференциальные значения, получаемые посредством разности показаний бесконтактных датчиков Д₁, Д₂, Д₃, Д₄ (рис. 2), измеряющих расстояния от заданных точек крана до рельсов на противоположных опорах:

где Д₁₂, Д₃₄ - дифференциальные значения; L_Д1, L_Д2, L_Д3, L_Д4 - показания датчиков Д₁, Д₂, Д₃, Д₄ соответственно, диапазон изменения [0… L_{Дi max}] [2].

Измеренные дифференциальные значения позволяют однозначно идентифицировать как перекос крана относительно подкрановых путей, так и его поперечное смещение. На основании этих значений с учетом направления движения крана формируется сигнал коррекции U_k1/U_k2, который вычитается из сигнала задания скорости U_ЗС1/U_ЗС2 одного из электродвигателей, обеспечивая таким образом выравнивание крана в сложившейся ситуации. В случае бокового смещения для его устранения перекос формируется принудительно.Блок коррекции перекоса БКП (рис. 1) выполняет функции вычисления Д₁₂ и Д₃₄ исходя из показаний датчиков, а также формирования сигнала коррекции на основе полученных данных. При этом учитывается текущее направление движения крана (сигнал sign[щ]), так как для эффективного устранения перекоса при различных направлениях движения требуются разные корректирующие воздействия.

Значение корректирующего воздействия рассчитывается пропорционально максимальной из величин Д₁₂ и Д₃₄ по формуле

где U_k - значение корректирующего воздействия; k - коэффициент пропорциональности, который выбирается в зависимости от уровней сигналов и допустимого поперечного смещения крана.

Поскольку опасен не перекос, а поперечное (боковое) смещение моста, которое он вызывает, можно упростить алгоритм работы блока коррекции и систему в целом, вдвое сократив число датчиков и оставив только датчики Д₁, Д₂ на передних (необмоторенных) колесах [7;8]. Это приведет к определенной потере точности, так как система не будет непосредственно реагировать на перекос (а только косвенно, через контроль поперечного смещения), но будет способствовать упрощению алгоритма работы и его аппаратной реализации. Блок коррекции в этом случае можно реализовать как релейный регулятор с гистерезисным допуском Д₁₂, а корректирующее воздействие будет вычисляться по формуле

Проверку созданных функциональных схем и алгоритмов управления целесообразно вести на основе компьютерного моделирования. На рис. 3-9 в качестве примера представлены результаты моделирования движения мостового крана с релейно-векторной системой управления (алгоритм с двумя датчиками) при условии, что тележка расположена вблизи левой опоры (рис. 2). Для наглядности приведены результаты с коррекцией и без коррекции.

Из графиков видно, что в начале приложения корректирующего воздействия в данном случае перекос изменяется довольно резко (рис. 3) и далее остается примерно постоянным, обеспечивая требуемое поперечное смещение для поддержания центрального положения крана (рис. 4).

Рис. 3 Перекос крана: ц₀ - без коррекции, ц₁ - с коррекцией

Рис. 4 Поперечное смещение: l_у0 - без коррекции, l_у1 - с коррекцией

Без коррекции максимальное поперечное смещение и соприкосновение колес крана с рельсами происходит за 35 секунд. Электромагнитные моменты двигателей в случае отсутствия коррекции (рис. 5, 6) стабилизируют скорости двигателей на заданном пропорциональным регулятором скорости уровне.

Рис. 5 Электромагнитный момент двигателя левой опоры без коррекции

Рис. 6 Электромагнитный момент двигателя правой опоры без коррекции

Колебания электромагнитного момента с частотой около 0,2 Гц вызваны колебаниями груза и, соответственно, скорости роторов асинхронных двигателей. Сигналы коррекции, вырабатываемые системой управления (рис. 7), вызывают требуемые изменения электромагнитного момента (рис. 8, 9).

Рис. 7 Сигналы коррекции Uk₁(t), Uk₂(t)

Рис. 8 Электромагнитный момент двигателя левой опоры с коррекцией

Рис. 9 Электромагнитный момент двигателя правой опоры с коррекцией

Итак, при отсутствии корректировки положения крана контакт реборд с рельсами вследствие поперечного смещения влево происходит при t?35 c. Поперечное смещение при этом достигает максимальной величины 28 мм. Далее кран движется с трением реборд о рельсы, что вызывает износ рельсов и подкрановых путей. При движении с коррекцией за все время моделирования не зафиксировано ни одного контакта реборд с рельсами. Кран движется практически симметрично относительно путей. В данном случае система управления препятствует возникновению смещения крана влево, одновременно воздействуя на скорости опор. Активный сигнал коррекции вычитается из сигнала задания скорости забегающей опоры, таким образом замедляя ее, и прибавляется к скорости отстающей опоры для ее ускорения. Это вызывает принудительный поворот крана, весьма резко изменяющий перекос. Пульсации электромагнитного момента (рис. 5,6,8,9) можно снизить, уменьшив гистерезис релейных регуляторов.

Представленная частотно-токовая система управления с коррекцией перекоса и поперечного смещения (рис. 1) с релейно-векторным алгоритмом управления и параметрами, определяемыми по методике (2?10), позволяет снизить пороговые дифференциальные значения и увеличить быстродействие и точность регулирования, чтобы удерживать кран наиболее близко к оптимальному центральному положению относительно рельсов и гарантированно исключить контакт реборд с рельсами.

Список литературы

1. Федяева, Г. А. Моделирование динамики электромеханической системы мостового крана/ Г.А. Федяева, Д.В. Кочевинов, В.П. Лозбинев, Ф.Ю. Лозбинев // Вестник Брянского государственного технического университета. 2014. № 1. С. 63-67.

2. Кочевинов, Д. В. Система управления электропривода передвижения мостового крана / Д.В. Кочевинов, Г.А. Федяева // Вестник Брянского государственного технического университета. 2012. № 3. С. 4-11.

3. Усольцев, А. А. Частотное управление асинхронными двигателями: учеб. пособие / А. А. Усольцев. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. 94 с.

4. Виноградов, А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / А.Б. Виноградов. Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2008. 298 с.

5. Способ автоматизированного управления асинхронным электроприводом передвижения с коррекцией поперечного смещения: заявка на изобрет. 2015124617 / Федяева Г.А., Сморудова Т.В., Конохов Д.В., Бойко В.Н. Заявл. 23.06.15.

6. Зотин, В.Ф. Системы управления электроприводов / В.Ф. Зотин. Брянск: БГТУ, 2008. 80 с.

7. Система управления асинхронным электроприводом передвижения: пат. РФ RU 152038 / Федяева Г.А., Кочевинов Д.В., Сморудова Т.В., Бутарев И.Ю. // Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам. Изобретения. Полезные модели. Опубл. 27.04.15, Бюл. № 12.

8. Система автоматизированного управления асинхронным электроприводом передвижения: пат. РФ RU 152678 / Федяева Г.А., Иньков Ю.М., Феоктистов В.П., Кочевинов Д.В. // Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам. Изобретения. Полезные модели. Опубл. 10.06.15, Бюл. № 16.

Размещено на Allbest.ru