Simulation of the bucket lifting mechanism control subsystem of a walking excavator

全文:

Введение. Производственные комплексы по добыче минерального сырья, включающие мощные шагающие экскаваторы разных типов, составляют важную часть современного промышленного оборудования производственных и транспортных систем [1]. Производительность промышленного оборудования производственных систем во многом зависит от качества управления электроприводами (ЭП) переменного тока, являющимися основой силового электрооборудования шагающих экскаваторов (ШЭ) и управляемыми с помощью современных полупроводниковых приборов – IGBT-транзисторов и силовых полупроводниковых модулей [2-4].

В настоящее время самыми востребованными способами управления ЭП переменного тока механизма подъема ковша шагающего экскаватора по праву можно считать способы управления с применением непосредственных преобразователей частоты (НПЧ), реализующих импульсно-фазовое управление (ИФУ), и двухзвенных преобразователей частоты (ДПЧ) с широтно-импульсным управлением (ШИУ), которые могут обеспечить необходимые параметры управления электроприводами переменного тока механизма подъема ковша шагающего экскаватора [5-8].

Тем не менее у способа управления непосредственными преобразователями частоты с ИФУ можно отметить ряд недостатков, касающихся его эффективности: сравнительно низкое быстродействие системы управления, сравнительно низкий коэффициент мощности, значительные искажения формы напряжения питающей сети [9]. Способ двухзвенных преобразователей частоты с ШИУ также имеет ряд недостатков, а именно: сравнительно низкий коэффициент полезного действия (КПД) преобразователя и значительные потери мощности при включении и выключении полупроводниковых ключей автономного инвертора напряжения (АИН), входящего в состав двухзвенных преобразователей частоты [10-18].

Повышению эффективности ЭП переменного тока может способствовать применение в двухзвенных преобразователях частоты АИН с частотно-импульсным управлением [19-22].

Однако следует отметить, что этот способ управления электроприводами переменного тока механизма подъема ковша шагающего экскаватора до сих пор полностью не изучен.

Моделирование электропривода механизма подъема ковша шагающего экскаватора. На рис.1 приведена разработанная функциональная схема электроприводов подъема ковша шагающего экскаватора переменного тока, где обозначено: БЗС – блок задания угловой скорости, РС – регулятор скорости, РТ – регулятор тока, БТО – блок токоограничения, НПЧ – непосредственный преобразователь частоты, АД – два асинхронных двигателя, МП – механизм подъема ковша, ДТ – датчик тока, ДС – датчик скорости.

 

Рис. 1. Функциональная схема электропривода подъема шагающего экскаватора переменного тока

 

Структурно-параметрическая модель подсистемы управления электроприводами механизмом подъема ковша шагающего экскаватора с непосредственным преобразователем частоты, реализованная в системе Matlab/Simulink, представлена на рисунке 2, а переходные процессы показаны на рисунке 3.

 

Рис. 2. Структурно-параметрическая модель электропривода подъема ковша шагающего экскаватора с непосредственным преобразователем частоты

 

Рис. 3. Переходные процессы в модели электропривода механизма подъема ковша шагающего экскаватора с непосредственным преобразователем частоты

 

Для получения максимальной производительности работы электроприводов подъема ковша шагающего экскаватора переменного тока проведем замену блока непосредственного преобразователя частоты на двухзвенных преобразователях частоты с частотно-импульсным управлением.

Структурно-параметрическая модель подсистемы управления электроприводом механизма подъема ковша шагающего экскаватора с частотно-импульсным управлением, реализованная в системе Matlab/Simulink, представлена на рисунке 4, а переходные процессы показаны на рисунке 5.

 

Рис. 4. Структурно-параметрическая модель электропривода подъема ковша шагающего экскаватора с частотно-импульсным управлением

 

Рис. 5. Переходные процессы в модели электропривода механизма подъема ковша шагающего экскаватора с частотно-импульсным управлением

 

Сравнение результатов моделирования угловой скорости электропривода механизма подъема шагающего экскаватора с непосредственным преобразователем частоты (рисунок 3) и двухзвенного преобразователя частоты с частотно-импульсным управлением (рисунок 5) показывает, что способ частотно-импульсного управления за счет ускорения динамических процессов в механизме подъема обеспечивает сокращение цикла работы ШЭ на 1,8 с, что увеличивает производительность работы шагающего экскаватора на 11 %.

Формализованное описание способа частотно-импульсного управления можно представить следующим образом. Модулируемый сигнал при частотно-импульсном управлении (ЧИУ) является синусоидальным и определяется уравнением (1):

$y\left(t\right)=k_p\cdot \sin (2\cdot \pi \cdot f_{\sin }\cdot t)$, (1)

где k_p – регулировочный коэффициент паузы; f_sin – частота модулируемого сигнала.

Максимальная длительность паузы при ЧИУ наблюдается на краях полупериода и её можно определить соотношением (2):

$t_{пауз.\max }=\frac{T_{\sin }}{u\cdot f_{\sin }}$, (2)

где T_sin – период сигнала при ЧИУ; u – регулировочный коэффициент по напряжению. 

Количество импульсов при ЧИУ, приходящихся на четверть периода модулируемого сигнала, определяется как соотношение (3):

$n=m+1$, (3)

Длительность пауз для каждого периода определяется выражением (4):

$t_{пауза.i}=t_{пауз.\max }-k_p\cdot \sin \left(\frac{i\cdot n}{\frac{360}{2\cdot \pi }}\right)\cdot t_{пауз.\max }$, (4)

где t_пауз.max – максимальная длительность паузы и i – номер периода при ЧИУ.

Длительность импульса для получения кратного периода определяется следующим выражением (5):

$t_{импульса}=\frac{\frac{1}{4\cdot f_{\sin }}-{\displaystyle \sum _{i=0}^n{t}_{пауза.i}}}{n}$. (5)

Длительность импульса при ЧИУ остается постоянной, а длительность паузы и периодов изменяется по синусоидальному закону.

Длительности i-тых периодов можно рассчитать по выражению (6):

$T_{период.i}=t_{импульса}+t_{пауза.i}$. (6)

Расчетные точки для четверти периода определяются формулами (7) и (8):

$T_1=\sum _{i=0}^m\left(T_{период.i}\right)+\left(t_{импульса}\right)$, (7)

$T_2=\sum _{i=0}^m\left(T_{период.i}\right)$. (8)

Используя формулы (7) и (8), можно описать цикл для формирования импульсов управления при ЧИУ. Чтобы получить график формирования импульсов при ЧИУ на полный период, удобно использовать программный пакет Matlab/Simulink.

Исследования, проведенные с помощью модели электропривода механизма подъема ковша шагающего экскаватора с ЧИУ (рисунок 6), показали высокие статические и динамические характеристики данной системы: статическая ошибка δ=10 %; время переходного процесса при пуске t_пп=0,51 с; максимальное перерегулирования σ_макс ˂ 4,3 %.

На рисунке 6 показана имитационная модель ЭП механизма подъема шагающего экскаватора, использующего двухзвенный преобразователь частоты с ЧИУ.

 

Рис. 6. Модель электропривода механизма подъема шагающего экскаватора, использующего двухзвенный преобразователь частоты с ЧИУ

 

Характеристики, полученные при моделировании работы электропривода механизма подъема шагающего экскаватора, использующего двухзвенный преобразователь частоты с ЧИУ (рисунок 7), свидетельствуют об устойчивости работы данного оборудования. Пуск электропривода механизма подъема шагающего экскаватора производится на холостом ходу и завершается за 0,3 с. После того, как угловая скорость достигает установившегося значения, происходит наброс нагрузки и скорость уменьшается на 4,5 %, оставаясь при этом стабильной.

 

Рис. 7. Диаграммы сигналов имитационной модели электропривода механизма подъема шагающего экскаватора с ЧИУ

 

Исследования на имитационной модели (рисунок 6) показали, что применение двухзвенного преобразователя частоты с ЧИУ приводит к снижению динамических потерь в электроприводе механизма подъема ШЭ по сравнению с электроприводом, использующего двухзвенный преобразователь частоты с ШИУ на 40 %, т.к. мощность динамических потерь прямо пропорциональна частоте коммутации [3, 12].

Заключение. Проанализировано современное состояние разработок в области электропривода переменного тока механизма подъема ковша шагающего экскаватора и предложен способ повышения производительности шагающего экскаватора. Разработана функциональная модель электропривода переменного тока механизма подъема ковша шагающего экскаватора, использующего двухзвенный преобразователь частоты с ЧИУ, позволяющая определять динамические характеристики электропривода механизма подъема ковша шагающего экскаватора. Реализована имитационная модель электропривода механизма подъема ковша шагающего экскаватора с ЧИУ в среде Matlab/Simulink. Показано, что использование двухзвенного преобразователя частоты с ЧИУ за счет ускорения динамических процессов в механизме подъема обеспечивает сокращение цикла работы шагающего экскаватора на 1,8 с, что увеличивает производительность его работы на 11 %.

作者简介

Mikhail Dunaev

National research irkutsk state technical university

编辑信件的主要联系方式.
Email: mdunaev10@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1523-5553

Doctor of technical sciences, professor

俄罗斯联邦, Irkutsk

Sarfaroz Dovudov

National research irkutsk state technical university

Email: dsu_1991@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5600-4615

Assistant

俄罗斯联邦, Irkutsk

参考

补充文件