Online Electric

     Большинство показателей (интенсивность газовыделений, объем взрывных работ, количество работающих людей и т.д.), определяющих потребную производительность шахтных вентиляторов, не являются величинами постоянными, что предопределяет необходимость регулирования их производительности. Регулирование производительности шахтных вентиляторов может производиться при постоянной скорости рабочего колеса аэродинамическими способами либо изменением его частоты вращения. Причем последний способ с позиций энергосбережения является более предпочтительным. На путях практической реализации этого способа до последнего времени вставали серьезные трудности в тех случаях, когда в качестве исполнительных двигателей в электроприводах шахтных вентиляторов использовались синхронные двигатели переменного тока.
     Однако с появлением на рынке мощных статических преобразователей частоты, выполненных на полупроводниковых ключах нового поколения, а также с появлением микропроцессорных систем управления возникла возможность создания регулируемых синхронных электроприводов и для шахтных вентиляторов. Один из возможных способов построения такого электропривода основан на реализации режима работы синхронного двигателя по схеме вентильного двигателя с широтно-импульсной модуляцией фазного напряжения (ВД с ШИМ). Суть этого способа заключается в том, что статический преобразователь частоты, система управления и датчик положения ротора, используемые в электроприводе, формируют фазные напряжения таким образом, что обобщенный вектор напряжения статора всегда ортогонален вектору магнитного потока, создаваемого обмоткой ротора. Это, в свою очередь обеспечивает постоянство электромагнитного момента двигателя, величина которого и соответственно скорость вращения могут плавно регулироваться при изменении величины обобщенного вектора фазного напряжения, и не позволяет двигателю выпасть из синхронизма.
     Функциональная схема электропривода вентиляторной установки на основе синхронного двигателя, работающего в режиме ВД с ШИМ, приведена на рис.1.


Рис.1. Функциональная схема электропривода вентиляторной установки

     В соответствии с функциональной схемой в состав электропривода входят:
     М1-синхронный двигатель;
     ДС-датчик скорости;
     Т-сетевой трансформатор;
     СПЧ-статический преобразователь частоты;
     ДТ1-ДТ3-датчики фазных токов статора;
     ДПР-датчик положения ротора;
     CУ СПЧ- система управления статическим преобразователем частоты;
     СУ ЭП- система управления электроприводом;
     Работа электропривода основана на том, что система его управления СУ ЭП оперирует с проекциями фазных напряжений и токов статора на оси системы координат U, V, вращающейся со скоростью ротора и у которой ось U совмещена с вектором магнитного потока, создаваемого обмоткой ротора. То есть СУ ЭП оперирует не с синусоидально изменяющимися величинами, а с величинами постоянными. Введение такой системы координат позволяет производить синтез синхронного электропривода по принципу подчиненного регулирования с последовательной коррекцией, широко используемого в регулируемых электроприводах постоянного тока
     Рассматриваемый электропривод содержит два канала: канал поддержания постоянства проекции обобщенного вектора напряжения статора на ось U вращающейся системы координат на нулевом уровне и канал управления частотой вращения. Наличие первого канала, в котором используется задатчик нулевого уровня проекции вектора фазного напряжения на ось U (ЗН), обеспечивает ориентацию обобщенного вектора напряжения статора вдоль оси V, что и обеспечивает ортогональность векторов магнитного потока и напряжения статора. Второй канал обеспечивает непосредственное регулирование частоты вращения. Причем второй канал представляет собой систему подчиненного регулирования, содержащую два контура: внешний (скоростной) и внутренний (моментообразующий). Сигнал с выхода регулятора П1 скоростного контура является сигналом задания для внутреннего контура.
     В процессе работы электропривода блок 4 СУ СПЧ, производит вычисления проекций вращающегося обобщенного вектора фазного тока статора на оси неподвижной системы координат α, β. Информация о фазных токах i_1A, i_1B, i_1C статора двигателя поступает от датчиков тока ДТ1-ДТ3. Эти вычисления производятся в соответствии с выражениями

, .

(1)

     Информация о вычисленных значениях проекций i_1α, i_1β поступает в блок 3, куда же от ДПР поступает информация о косинусе и синусе угла поворота ротора относительно статора. Блок 3 производит вычисления проекции обобщенного вектора тока статора на ось V. Вычисления производятся в соответствии с выражениями

.

(2)

     Вычисленное значение проекции i_1V в качестве сигнала обратной связи используется во внутреннем (моментообразующем) контуре канала управления частотой вращения. Во внешнем (скоростном) контуре в качестве сигнала обратной связи используется сигнал от ДС, поступающий на отрицательный вход сумматора С1. На положительный вход сумматора поступает сигал задания частоты вращения от задатчика интенсивности изменения частоты вращения двигателя ЗИ.
     Таким образом, СУ ЭП формирует величины задаваемых значениях проекций обобщенного вектора напряжения статора на оси U, V. Эти значения поступают на входы блока 1 СУ СПЧ. В блоке 1 происходит вычисление требуемых значений проекций обобщенного вектора напряжения статора на неподвижные оси координат α, β. Вычисления происходят в соответствии с выражениями

, .

(3)

     Вычисленные значения задаваемых проекций U_1αЗ, U_1βЗ поступают на входы блока 2, в котором происходит вычисления задаваемых значений фазных напряжений U_1AЗ, U_1BЗ, U_1CЗ. Указанные вычисления производятся в соответствии с выражениями

, , .

(4)

     Вычисленные задаваемые значения фазных напряжений статора используются в качестве модуляционного напряжения АИН ШИМ.
     Процесс электромеханического преобразования, протекающий в синхронном двигателе, работающем по схеме ВД с ШИМ, описывается системой дифференциальных уравнений, которая в операторной форме имеет следующий вид [1]

, , ,

(5)

Здесь ω(P) – изображение частоты вращения ротора;
      Ф₀(P) – изображение магнитного потока, создаваемого обмоткой ротора;
      U_1U(P), U_1V(P), i_1U, U_1V – изображения проекции обобщенных векторов фазного напряжения и фазного тока статора на оси U;
      L₁ – индуктивность рассеяния обмоток статора
      R₁ – активное сопротивление обмотки статора;
      P_П – число пар полюсов;
      T₁=L₁/R₁ – электромагнитная постоянная времени фазы обмотки статора;
      U_1M – модуль обобщенного вектора напряжения статора;
      M_Э – изображение электромагнитного момента.
     
     Структурная схема синхронного двигателя, соответствующая системе уравнений (5) приведена на рис. 2.


Рис.2. Структурная схема синхронного двигателя, работающего в режиме ВД с ШИМ

     Приведенная структурная схема может быть использована для построения компьютерной модели электропривода вентилятора, позволяющей производить исследования электромеханических процессов, протекающих в статических и динамических режимах его работы. Схема такой компьютерной модели электропривода, разработанной в пакете MatLab, Simulink, приведена на рис.3.
     


Рис.3. Схема компьютерной модели электропривода вентилятора

     На графиках рис.4 сверху вниз приведены диаграммы изменения частоты вращения, электромагнитного момента двигателя и действующего значения тока статора, полученные в ходе компьютерных исследований электромеханических процессов, протекающих в электроприводе вентилятора. В модель закладывались параметры синхронного двигателя СДР.


Рис.4.

     Номинальная мощность двигателя составляет 2400 кВт, номинальная скорость вращения равна 993 об/мин, а момент инерции, приведенный к валу двигателя равен 1000 кгм².
     Анализ диаграмм, построенных в относительных единицах, позволяет сделать следующие выводы.
     1. Электропривод позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения вентилятора в диапазоне от 0 до номинального значения. Причем изменение частоты вращения происходит в строгом соответствии с изменением сигнала задания, формируемого задатчиком интенсивности.
     2. Интенсивность увеличения частоты вращения в рассматриваемом электроприводе ограничивается допустимой величиной электромагнитного момента. Так, если величину электромагнитного момента ограничить на уровне M_МАКС=2M_Н, то время, за которое двигатель изменит частоту вращения от 0 до номинального значения, не должно превышать 10 секунд.
     3. Интенсивность уменьшения частоты вращения ограничивается условием перехода электропривода в режим электрического торможения. То есть, для того чтобы не усложнять схему электропривода, за счет введения либо дополнительных тормозных резисторов, либо дополнительного автономного инвертора напряжения ведомого сетью, время уменьшения частоты вращения от номинального значения до 0 в рассматриваемом электроприводе должно быть не менее 250 секунд.
     
Библиография
     1. Герман-Галкин С.С. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. СПб.: КОРОНА принт. 2001, 320 с.