Разработка и внедрение системы выравнивания нагрузок для многодвигательных частотно-управляемых электроприводов с жесткой механической связью

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.314-83:378.14

Разработка и внедрение системы выравнивания нагрузок для многодвигательных частотно-управляемых электроприводов с жесткой механической связью

А.В. Гурушкин

Основным направлением повышения производительности машин и оборудования в современном производстве является переход от механизма с однодвигательным приводом, имеющим значительные массу и габариты, к механически или электрически взаимосвязанным многодвигательным системам. В то же время существенным недостатком таких электромеханических систем является неидентичность механических характеристик у электродвигателей одного типа и серии. В механически взаимосвязанных системах это приводит к неравномерности распределения нагрузок между приводами в статических и динамических режимах работы, а значит к перегрузке электродвигателей, к усложнению динамики и дополнительным колебаниям, увеличивающих вибрацию, износ передач и т.д. Таким образом, несогласованная работа электроприводов сводит к минимуму все достоинства перехода к многодвигательным системам, если не предусмотреть в системе управления дополнительной схемы выравнивания суммарной нагрузки между приводами [1].

Классические способы пропорционального распределения моментов у нерегулируемых приводов постоянного и переменного тока с жесткой механической связью (дополнительные сопротивления в обмотках электрической машины, последовательное соединение двигателей, воздействие на магнитные потоки двух параллельно включенных электрических машин и т.д.) обеспечивают примерно одинаковую среднюю нагрузку на каждый привод, в то время как мгновенные значения, как правило, существенно различаются, особенно в переходный период. При наличии в системе упругой связи механизма зазорообразования проблема становится уже иной. Возникают значительные не демпфируемые колебания и вибрации, а в случае наличия обратной связи - и дополнительные проблемы, связанные с переходом двигателей в генераторный режим [2].

Поэтому наиболее оптимальным решением указанных проблем является применение в многодвигательных электромеханических системах современных частотных преобразователей, которые позволяют обеспечить наиболее благоприятные динамические качества, эффективно демпфировать колебания и ограничивать максимальные нагрузки во всех режимах, а также существенно улучшить не только статические, но и динамические свойства привода за счет формирования заданного переходного процесса (синхронность и ограничение темпа разгона, предварительный выбор зазоров, подавление резонансов и т.д.) [2, 3]. Кроме того, специально разработанные системы выравнивания нагрузки (СВН) и дополнительные сервисные функции этих устройств позволяют в ходе работы успешно выполнять согласование и поддержание требуемого баланса нагрузки между приводами. Наиболее совершенными как для приводов переменного, так и постоянного тока являются схемы СВН, построенные по принципу «ведущий-ведомый» (master-slave). привод ток механический производительность

Например, высокие технические характеристики как в статических, так и в динамических режимах работы для приводов переменного тока имеет схема СВН с векторным режимом управления приводами и c использованием технологии «ведущий-ведомый». В данном случае «ведущий» привод работает в векторном режиме управления по скорости, а «ведомый» - в векторном режиме управления по моменту, так называемый режим Direct Torque Control (DTC). Передаваемое по оптоволоконному или аналоговому каналу заданное значение момента из «ведущего» привода является управляющим воздействием для «ведомого» привода. Благодаря такой структуре управления система master-slave отличается универсальностью в применении и имеет высокие технические показатели распределения нагрузки как в статическом, так и в переходном режиме работы. Но при всех преимуществах данной технологии есть и серьезный недостаток, а именно: недопустимость разрыва механической связи между приводами, так как при многих применениях ведет к аварийной ситуации из-за неконтролируемого аварийного режима работы [4].

В качестве примера применения такой системы можно привести многодвигательные грузоподъемные механизмы металлургического класса с частотным приводом переменного тока. Так, в случае разрыва механической связи у «ведущего» привода механизма главного подъема литейных кранов, развиваемого «ведомым» приводом, момента будет явно недостаточно для удержания или перемещения рабочего груза. Известные способы аппаратного и программного мониторинга, определения аварийного статуса и переключения «ведомого» привода в режим «ведущего» для ликвидации бесконтрольного режима управления [4] усложняют систему управления и не обеспечивают гарантированной работы без сбоев и ложных срабатываний на всех этапах технологического процесса подъема и транспортировки.

В целях изучения технических характеристик и наиболее аварийно-опасных режимов работы при разрыве механической связи с использованием различных СВН были проведены экспериментальные исследования на лабораторном стенде, имитирующем электромеханическую структуру и систему управления главного подъема литейного крана грузоподъемностью 420 тонн. Рассматривались ситуации нормальной и аварийной работы крана, в том числе обрыв вала «ведущего» привода в режиме спуска сталеразливочного ковша и действие активного момента нагрузки, совпадающего по направлению с движением груза [5]. Исследования проводились в три этапа. Первый этап - тестирование многодвигательного привода без системы выравнивания. Второй и третий этапы - имитационные исследования с СВН (master-slave) и альтернативной СВН.

Далее в качестве примера приведены результаты второго (рис. 1, 2) и третьего этапов (рис. 3, 4) экспериментов, где маркерами отмечены величины моментов в переходном и установившемся процессе, а также после обрыва механической связи.

Рис. 1. Диаграмма обрыва вала у «ведущего» привода (master)

Рис. 2. Диаграмма для «ведомого» привода (slave)

Рис. 3. Диаграмма обрыва вала у привода № 1 (master)

Рис. 4. Диаграмма для привода № 2 (master)

Анализ результатов и диаграмм экспериментов второго этапа подтверждают опасность применения стандартной СВН (master-slave) для рассматриваемого грузоподъемного механизма, т.к. в случае размыкания механической связи у «ведущего» двигателя, развиваемого «ведомым» приводом, момента холостого хода будет явно недостаточно для удержания или перемещения груз. Тормозная система крана в этом случае не удержит движущийся вниз на высокой скорости груз. И, наоборот, при обрыве вала у «ведомого» привода его двигатель будет бесконтрольно ускоряться. Оба варианта могут привести к аварии и серьезным последствиям.

На основе данных сравнительного анализа и результатов стендовых исследований, а также учитывая конструктивную и технологическую специфику и высокие требования к безопасности работы подобных механизмов, была разработана СВН, позволяющая осуществить пропорциональное распределение суммарного момента во всех режимах и гарантированное обеспечение безопасного завершения работы при размыкании механической связи на любом участке траектории движения электропривода (статический или переходный этап движения) [6].

Принцип работы этой системы основан на независимом контроле и управлении каждого привода (режим векторного управления по скорости для обоих приводов). При этом конструктивно выравнивание суммарной нагрузки осуществляется за счет наличия дополнительного контура расчета и внесения требуемых корректирующих изменений в процесс формирования суммарного момента у одного из приводов с целью изменения его выходного значения. Что в механически взаимосвязанной системе непосредственно воздействует на момент другого привода, выравнивая его тем самым до требуемой величины. Необходимые для такого расчета данные, также как и в стандартной системе, передаются между преобразователями по оптоволоконному или аналоговому каналу.

При такой концепции, в которой оба частотных преобразователя работают в режиме «ведущего» привода (СВН master-master), не имеет значения, где будет разорвана механическая связь, так как двигатель, оставшийся в зацеплении, за счет аварийного резерва мощности берет на себя всю нагрузку и безаварийно заканчивает технологический цикл. При этом не требуется вмешательства в работу системы управления преобразователей для переключения из одного режима управления в другой, что позволяет снизить риск сбоя в момент аварии при работе с номинальной нагрузкой и на максимальной скорости.

Практические испытания разработанной СВН (master-master) были проведены на механизме главного подъема литейного крана грузоподъемностью 420\100\20 тонн, установленного в отделении непрерывной разливки стали (ОНРС) конверторного цеха компании «Арселор Миттал Темиртау». Использование данной системы на практике позволило значительно уменьшить вибрацию и колебания редукторов, а значит, повысить усталостную долговечность механизмов и рабочий ресурс электрических двигателей.

Полученные в условиях эксплуатации результаты подтвердили высокие технические показатели распределения нагрузки как в статическом, так и в переходном режиме работы. Точность распределения нагрузки, как и в исследованиях на лабораторном стенде, составляет ~1-2 %.

Таким образом, на основе сравнительного анализа полученных данных можно сделать вывод, что предложенная система равномерного распределения суммарной нагрузки не уступает по техническим характеристикам стандартной СВН (master-slave) и полностью отвечает поставленным требованиям.

Все значения, используемые в рисунках, приведены в процентах от номинальных паспортных данных двигателя и взяты из распечаток мгновенных значений сервисной программы Drive Monitor.

1. Задание скорости на входе ЗИn (set, RgenIn)

2. Задание скорости на входе контроллера скоростиn/f (set)

3. Действительное значение скорости с датчикаMeas.Rot.Speed

4. Выходной токOutput Amps

5. Результирующий электромагнитный моментMoment Torque

6. Задание динамического моментаT(accel)

Список литературы

1.Ключев В.И. Теория электропривода: учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 2001. 332 с.

2.Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.: Энергия, 1971.

3.Ещин Е.К. Электромеханические системы многодвигательных электроприводов. Моделирование и управление. Кемерово: КузГТУ, 2003.

4.SIMOVERT MASTERDRIVES Engineering Manual for Drive Converters: Edition 05/2001.

5.Брейдо И.В., Гурушкин А.В. Экспериментальный стенд на базе многодвигательного частотно-управляемого асинхронного электропривода // Тр. ун-та. Вып. № 4. Караганда: Изд-во КарГТУ, 2008.

6.Брейдо И.В., Гурушкин А.В. Распределение нагрузок в электромеханических системах с многодвигательным частотно-управляемым электроприводом // Тр. ун-та. Вып. № 2. Караганда: Изд-во КарГТУ, 2008.

Размещено на Allbest.ru