Магистр ДонНТУ Мезников Д А
В последние 10 лет в горной промышленности повышение эффективности добычи угля подземным способом достигалось путем повышения производительности и надежности очистных комбайнов и конвейерных установок за счет совершенствования параметров исполнительных органов, повышения установленной мощности, применения многодвигательного и регулируемого электропривода.
Электропривод очистных комбайнов включает нерегулируемый, как правило двухдвигательный, асинхронный электропривод резания и регулируемый привод механизма подачи. Установленная мощность привода резания очистного комбайна достигла 300...600 кВт. В качестве привода механизма подачи применяются следующие системы: гидравлический привод (комбайны К101, 1ГШ68,2ГШ68, КШ1КГУ, КШ3М); электропривод с электромагнитной муфтой (комбайны К103М, КА90, К85); тиристорный электропривод постоянного тока (комбайны 1КШЭ, КСП, К10П) и интенсивно развивающийся частотно-регулируемый электропривод (ЧРЭП).
Длительный опыт применения первых трех из указанных выше систем привода показал следующее.
Гидравлический привод, обладая хорошими массогабаритными параметрами и простыми средствами ограничения перегрузок, имеет существенные недостатки - низкие КПД, надежность и долговечность, высокую чувствительность к чистоте рабочей жидкости. Кроме того, при создании привода с высокими силовыми и скоростными параметрами из-за больших потерь мощности возникают трудности с охлаждением привода.
Электропривод с электромагнитной муфтой скольжения, простой в регулировании скорости подачи, имеет низкий КПД особенно в диапазоне скоростей подачи в два и больше раз ниже максимальной, невысокую надежность муфты. Также проблематично охлаждение привода при высоких мощностях привода подачи из-за больших потерь мощности.
Электропривод постоянного тока имеет высокий КПД, достаточную надежность, позволяет получить высокие силовые и скоростные параметры механизма подачи. Однако двигатель постоянного тока имеет в 2...2,4 раза большие габариты и стоимость по сравнению с асинхронным двигателем (АД) при одной и той же мощности, что приводит к увеличению габаритов очистных комбайнов, работающих в ограниченных пространствах горных выработок. Кроме того, коллекторно-щеточный аппарат двигателя требует постоянного ухода при эксплуатации.
В связи с вышеизложенным в последнее десятилетие ведутся исследовательские и опытно-конструкторские работы по применению для механизмов подачи очистных комбайнов частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП), включающего преобразователь частоты (ПЧ) и асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором [1]. ЧРЭП имеет высокие КПД и надежность, адаптированный к тяжелым условиям эксплуатации горной промышленности надежный и простой АД, и электронный ПЧ на современных силовых ключах.
Целью магистерской работы является разработка математической модели частотно-регулируемого электропривода механизма подачи очистного комбайна с учетом реальных режимов работы.
Для осуществления данной цели необходимо решить следующие задачи:
Для программной реализации частотно-регулируемого электропривода обычно используют один из универсальных или специализированных языков программирования. Более простым и удобным способом решения поставленной задачи является использование программы структурного математического моделирования Simulink пакета MatLab [2]. Достоинствами такого способа реализации является наглядность алгоритма, который представляется в виде структурной модели, удобство его отладки и корректировки, отсутствие необходимости применения языков программирования, использование одной и той же среды для математического моделирования и для управления приводом.
Алгоритм управления приводом механизма подачи обеспечивает два режима: поддержание тока
резания комбайна путем регулирования скорости подачи или поддержания скорости подачи на заданном
уровне при ограничении нагрузок в трансмиссиях комбайна [3].
На рис. 1 представлены диаграммa работы электропривода механизма подачи комбайна КШ1КГУЧ
(скорости подачи 
и рабочего тока двигателя резания
) в соответствии с алгоритмом работы системы управления.
Рисунок 1 - Диаграммы работы ЧРЭП комбайна
В нормальном, без перегрузки, режиме работы привода комбайна регулятор нагрузки
системы управления обеспечивает поддержание заданного значения тока АД резания
путем изменения частоты вращения АД подачи,
а значит, изменения скорости подачи комбайна (участок I). В этом режиме частота
вращения АД подачи определяется напряжением с выхода регулятора нагрузки, который
отрабатывал возмущения, вызванные изменением сопротивляемости угля резанию. Скорость
комбайна при заданном токе резания не превышала максимально разрешенную: задаваемую
сигналом 
или заданную машинистом
. В режиме поддержания скорости подачи комбайн
перемещается со скоростью подачи, заданной машинистом, ,
а ток резания равен или ниже заданного (участок II).
При перегрузке привода резания, когда ток двигателя резания
превысит ток отсечки 
(участок III), система
управления быстро снижает скорость подачи комбайна с повышенным темпом изменения скорости.
На этом участке представлена проработка исполнительным органом комбайна твердого
включения, когда скорость подачи комбайна снижается практически до нуля.
Планируемый практический результат состоит в разработке системы асинхронный двигатель
- преобразователь частоты и исследование данной системы для разных частот питающего напряжения.
Основной способ подземной выемки угля и антрацитов выше средней крепости, а также для тонких пластов со сложной гипсометрией (а таких в Донбассе большинство) - с помощью комбайнов. Вращаясь с высокой скоростью, режущий орган комбайна обрабатывает забой на всю высоту пласта, а в пластах мощностью до 0,9 м. прихватывает кровлю или почву (рисунке 2), практически перемалывая уголь вместе с породой, увеличивает его зольность, снижает сортность, причем образуется значительное количество угольной пыли.
Рисунок 2 - Схема комбайновой выемки: 1 - комбайн; 2 - присечка;
3 - конвейер; 4 - резцы; 5 - шнек; 6 - породных прослоек
Более наглядно принцип действия можно увидеть на анимированном рисунке (рисунoк 3).
Рисунок 3 - Анимированный рисунок: перемещение и резание угля очистным комбайном
один шнек режет уголь "сверху", другой - "снизу"
Анимация повторяется циклически, количество циклов не ограничено,
количество слайдов - 27, занимаемый объем - 76,2 Кбайт.
Разработке частотно-регулируемого электропривода подачи очистного комбайна посвящены работы [3, 4, 5, 6].
В [4] автором рассмотрены вопросы создания тиристорного частотного преобразователя на IGBT-модулях вынесенной подачи угольного очистного комбайна. Приведен выбор преобрaзовaтеля частоты, применяемого в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два клaссa:
для подавления радиопомех, предохранитель ПР, преобразователь частоты ПЧ с системой управления, блок питания БП, датчик тока двигателей подачи ДТ. Силовая часть ПЧ включает выпрямитель В, сглаживающий LС-фильтр Ф, тормозной блок ТБ, инвертор И. Система управления ПЧ и электропривода состоит из контроллера управления КУ, пульта управления и индикации ПУИ, датчика напряжения ДН звена постоянного тока ПЧ, драйверов ДР1-ДР3. Выпрямитель В выполнен по трехфазной полууправляемой схеме на диодах VD3 и тиристорах VS1. Инвертор И выполнен на IGBT транзисторах VТ1, VТ2 с обратными диодами VD1 и VD2 (на схеме выпрямителя и инвертора представлено по одному плечу мостов). Тормозной блок ТБ содержит последовательно соединенные транзистор VТЗ и резистор RТ. БП обеспечивает стабилизированные уровни напряжения для питания элементов системы управления. Драйверы ДР1-ДР3 осуществляют усиление сигналов управления и гальваническую развязку силовой части ПЧ и системы управления.
Тормозной блок ТБ обеспечивает рассеяние электрической энергии генераторного торможения АД в виде тепла в резисторе RТ при спуске комбайна в наклонных пластах.
Рисунок 4 - Функциональная схема ЧРЭП механизма подачи комбайна
Контроллер управления КУ в соответствии с разработанным алгоритмом обеспечивает управление частотой и напряжением на выходе ПЧ по методу широтно-импульсной модуляции, управление скоростью подачи комбайна по изложенному выше алгоритму, апробированному при промышленных испытаниях опытных образцов.
Основные преимущества встроенных ЧРЭП механизмов подачи очистных комбайнов на базе применения IGBT транзисторов заключаются в следующем:
где f - частота питающей сети, р - число пар полюсов.
Вращающееся магнитное поле пересекает витки обмоток ротора. Если скорость вращения ротора отличается от скорости вращения поля, то в роторной обмотке начинает индуцироваться ток, который, взаимодействуя с полем статора, создает момент. В результате двигатель обладает механической характеристикой, изображенной на рисунке 5.
Рисунок 5 - Механическая характеристика асинхронного двигателя
Как видно из характеристики, скорость на рабочем участке несильно отличается от скорости холостого хода, и становится ясно, что эффективно регулировать скорость вращения двигателя можно, изменяя частоту вращения поля статора или частоту питающей сети.
Остается открытым вопрос: как менять питающее напряжение?
Как правило, двигатель работает на колене кривой намагничивания, как показано на рисунке 6.Тогда становится понятно, что увеличение потока приведет к резкому увеличению тока, а снижение к уменьшению момента.
Рисунок 6 - Кривая намагничивания двигателя
Уравнение электрического равновесия для одной фазы можно записать следующим образом:
Если пренебречь падением напряжения на активном сопротивлении фазы статора, то уравнение упростится:
Фазное напряжение изменяется по закону:
Если теперь приравнять правые части последних двух уравнений, то получится выражение:
которое после интегрирования примет вид:
Из полученного выражения видно, что амплитуда потока фазы прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна частоте, поэтому для поддержания постоянства потока требуется изменение напряжения пропорциональное изменению частоты. Такой закон регулирования напряжения в функции частоты называется U/f=Const.
Если подставить в уравнение электрического равновесия для одной фазы формулу значение напряжения для малой скорости вращения, то доля iR-составляющей обратно-пропорционально увеличивается по отношению к прикладываемому напряжению. Это обстоятельство приводит к существенному уменьшению потока на малых частотах и, соответственно, уменьшению момента. Для обеспечения нагрузочной способности по моменту близкой к номинальной во всем диапазоне скоростей вращения применяют iR-компенсацию, то есть завышение напряжения относительно закона U/f=Const как показано на рисунке 7.
Рисунок 7 - Закон регулирования U/f=Const в преобразователях частоты
В области малых частот напряжение питания увеличивают по отношению к линейному закону. В области высоких частот напряжение питания доходит до номинального значения и дальше свой рост прекращает. Увеличивать его больше номинального нельзя, так как под этот уровень напряжения рассчитывается изоляция двигателя при проектировании.
Этот же закон изменения напряжения можно получить и другими способами - из формулы 
или зависимости критического момента от напряжения и скорости вращения.
Главной нерешенной задачей является разработка частотно-регулируемого электропривода, который позволял бы измерить частоту в диапазоне от нуля до номинальной и повышать скорость очистного комбайна, увеличивая его производительность. Пока данную задачу не могут решить отечественные предприятия по производству приводов и преобразователей частоты.
Данную задачу смог решить лидер по производству преобразователей частоты голландская фирма ABB Industry Building, которая создала систему преобразователь частоты - асинхронный двигатель с изменением частоты от 0 - 60 Гц с равномерность вращения двигателя на низких частотах (даже при частоте 0 Гц двигатель равномерно вращается а не "шагает" что наблюдается у ее конкурентов). Это и есть главное достижение фирмы.
Развитие вентильных преобразователей переменного тока с регулируемым выходным напряжением и частотой идет по двух направлениям:
Наиболее перспективными преобразователями в настоящее время являются вентильные преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором.
Данные ПЧ обладают преимуществами:
Однако необходимо отметить и ряд недостатков:
Отмеченный недостаток устраняется при переходе к широтно-импульсному формированию и регулированию выходного напряжения ПЧ, осуществляемому автономным инвертором.
Принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ) удобно рассмотреть на примере анализа простейшего широтно-импульсного модулятора напряжения (рисунок 8).
Рисунок 8 - Широтно-импульсный модулятор напряжения
Силовая часть выполнена в виде однофазного автономного инвертора напряжения, который питается от источника постоянного тока. Нагрузка подключено между общей точкой ключей и средней точкой источника питания, то есть используется нулевая схема инвертирования.
Система управления обеспечивает коммутацию ключей инвертора с высокой частотой, которые называют частотой модуляции или несущей частотой ШИМ. Система содержит генератор опорного сигнала несущей частоты (ГОН), сумматор, нуль-орган (НО), формирователи (Ф1, Ф2) дискретных сигналов f1, f2 управления ключами инвертора.
Как функциональный элемент ШИМ напряжения преобразовывает непрерывный входной сигнал управления в высокочастотную периодическую последовательность импульсов исходного напряжения. При постоянстве задачи среднее значение исходного напряжения на период модуляции пропорционально задающему сигналу. При изменении входного сигнала пропорциональное изменение среднего значения исходного сигнала обеспечивается изменением ширины импульсов, то есть изменяется путем широтно-импульсной модуляции.
Фазное напряжение на выходе инвертора, имеет вид:
Рисунок 9 - Фазное напряжение АИН (напряжение фазы А АИН при f=50 Гц)
Исходное напряжение автономного инвертора имеет не чистую синусоидальную форму, а имеет пульсирующий характер.
Разработанная модель инвертора может быть использовать для дальнейшего моделирования системы ТПЧ-АД.
SІMULІNK модель данного асинхронного двигателя имеет вид
Рисунок 10 - Модель в реальной трехфазной системе координат
При моделировании разгон двигателя осуществляется без нагрузки, а в момент времени t = 1,5 с. осуществляем наброс номинальной нагрузки. Осциллограммы демонстрирующие работу двигателя приведенные ниже.
Рисунок 11 - График скорости двигателя при пуске и набросе нагрузки
Рисунок 12 - График момента двигателя при пуске и набросе нагрузка
По (рисунке 11) скорость двигателя при Мс=Мном составляет 1476 об/мин, по паспортным данным скорость составляет 1470 об/мин. То есть ошибка составляет 2%.
По (рисунке 12) момент двигателя, согласно осцилограмме составляет Мн = 285 Нм. Реальный номинальный момент составляет 290 Нм.
Таким образом, с учетом принятых допущений, полученная модель двигателя может быть использована в системе ТПЧ-АД.
Для этого объединим ранее полученные модели преобразователя частоты на основе инвертора напряжения и модели асинхронного двигателя в 3х-фазной системе координат. Полученная модель двигателя разрешает исследовать влияние высших гармоник и влияние несинусоидального входного напряжения, которое имеет место при питании двигателя от преобразователя частоты.
Условно модель автономного инвертора напряжения представлена в виде блока ІNVERTOR (рис.13), на вход которого подается напряжение задачи Uz, а на выходе формируется напряжение фаз А, В, С. Модель асинхронного двигателя условно объединенное в блок AD (рис.13), на вход которого поступает исходное напряжение инвертора, а на выходе наблюдаем:
Рисунок 13 - Модель системы АИН с ШИМ для питания АД при f = 50 Гц
При моделировании двигателя осуществлялся разгон без нагрузки, а в момент времени t = 1,5 с. вырабатывается наброс номинальной нагрузки. В результате моделирования получим осциллограммы (рис.14 - 15).
Рисунок 14 - График скорости двигателя при питании от АИН при f=50 Гц
Рисунок 15 - График момента двигателя при питании от ТПЧ f=50 Гц
Результаты, полученные при моделировании показывают, что незначительное расхождение между результатами, полученными при моделировании двигателя с синусоидальным входным напряжением промышленной частоты 50 Гц и использовании ШИМ дают право утверждать, что смоделированная система работает корректно, и может быть использована для дальнейшего исследования двигателя при разных частотах питающего напряжения. Разработанная математическая модель преобразователь частоты - асинхронный двигатель соответствует реальной системе, что дает возможность использовать полученную модель для использования в реальной системе электропривода.
Планируемые результаты состоят в следующем:
Итак была разработана математическая модель системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель для привода подачи, что дает возможность исследовать модель на устойчивость и равномерность вращения двигателя на низких частотах.