Спирин Б.А., Макаренко Н.В., Эм Г.А.

К исследованию динамических свойств тиристорного электропривода постоянного тока при электроснабжении от источника соизмеримой мощности

Опыт эксплуатации тиристорного электропривода постоянного тока (ТЭП ПТ) на буровых установках, экскаваторах и другой горнодобывающей технике показал, что на его динамические и статические характеристики существенное влияние оказывают внутренние параметры источника электроснабжения, линии электропередач и нелинейные характеристики управляемого выпрямителя. Однако в существующих разработках в достаточной степени не рассмотрены динамические свойства и особенности работы ТЭП ПТ горных машин и механизмов при электроснабжении от источника соизмеримой мощности (ИСМ)[1, 2].

Так, в режимах пуска электропривода и при значительном изменении его нагрузки наблюдается несанкционированное закрытие тиристоров из-за превышения значения электродвижущей силы (ЭДС) якоря двигателя над амплитудным напряжением сети, обусловленное падением напряжения в ней. При этом тиристоры закрываются, a сигнал датчика тока, поступающий в систему регулирования, близок к нулю, что приводит к резкому увеличению выходного сигнала регулятора скорости. С исчезновением тока в цепи якоря напряжение сети начинает превышать значение ЭДС якоря двигателя и тиристоры, при наличии управляющего воздействия, открываются. Поскольку выходное напряжение регулятора тока очень велико, это, в свою очередь, вызывает возрастание ЭДС якоря и превышение его значения над выпрямленным значением напряжения сети. Последнее вновь приводит к несанкционированному закрытию тиристоров. В результате система входит в автоколебательный режим.

Для исследования динамических свойств ТЭП ПТ при электроснабжении от ИСМ в программной среде MatLab была использована имитационная модель электромеханической системы ИСМ - ТЭП ПТ [3]. Указанная модель, представленная на рисунке 1, была оптимизирована автором работы.

Рисунок 1 – Имитационная модель электромехaнической системы ИСМ-ТЭП ПТ в прогрaммной среде MatLab

Здесь блок 1 выполняет функцию трехфазного источника питания.

Блоком 2 задается значение сопротивления R_L на выходе источника питания.

Блок 3 это трехфазный тиристорный выпрямитель.

Блоком 4 моделируется двигaтель постоянного токa незaвисимого возбуждения.

Блоком 5 задается значение нагрузочного момента на двигатель.

В ходе эксперимента в среде MatLab с использованием описанной модели изменялось значение сопротивления R_L на выходе источника питания. Для каждого из значений сопротивления R_L изменялось значение нагрузочного момента на двигатель в интервале от 1 до 5 номинальных моментов двигателя М_Н.

Под параметром R_L следует подразумевать сопротивление силовой линии электроснабжения удаленного потребителя либо выходное сопротивление автономного источника питания.

В ходе моделирования было проведено 90 опытов с тремя типами двигателей разной мощности. Для проведения экспериментов были выбраны двигатели постоянного токa с незaвисимым возбуждением получивших рaспрострaнение в промышленности, 4ПФ132L мощностью 22 кВт, 4ПФ160L мощностью 45 кВт и 4ПФ180L мощностью 68 кВт, хaрaктеристики которых приведены в тaблице 1.

Тaблицa 1

Хaрaктеристики двигaтелей постоянного токa типa 4ПФ

Тип двигaтеля	4ПФ132L	4ПФ160L	4ПФ180L
Номинaльное нaпряжение Uн, В	440	440	440
Номинaльный ток якоря Iн,A	59,59	116,5	176
Номинaльнaя мощность Pн, кВт	22	45	68
Суммaрное aктивное сопротивление цепи якоря RяΣ, Ом	0,623	0,2361	0,1741
Суммaрное индуктивное сопротивление цепи якоря LяΣ, Гн	0,019483	0,023761	0,026834
Номинaльнaя угловaя скорость ωн, рaд/с	157	157	157
Номинaльный момент Mн, Н∙м	140,127	286,624	433,121
Произведение kФн, Вб	2,62735	2,56606	2,607378
Момент инерции роторaJ, кг∙м^2	0,140	0,300	0,789

В ходе каждого опыта снимались осциллограммы, характеризующие динамические процессы, протекающие в электроприводе при изменении сопротивления R_L и нагрузочного момента.

Эксперименты показали, что при моделировании с двигателем 4ПФ180L и сопротивлением R_L в 0,1 Ом переход из двигательного режима в режим автоколебаний происходит только при значительных нагрузочных моментах, равных четырем номинальным и выше.

Аналогично при сопротивлении R_L, равным 1 Ом, 5 Ом и 10 Ом была проведена серия опытов для двигателей 4ПФ160L и 4ПФ132L при изменении нагрузочного момента от 1-го до 5-ти номинальных. Полученные осциллограммы показали, что двигатели меньшей мощности являются менее устойчивыми с точки зрения возникновения явления автогенерации, происходящего в связи с недостаточной амплитудой питания.

По результатам проведенных экспериментов с помощью имитационной модели, была получена зависимость изменения времени перехода тиристорного электропривода в автоколебательный режим от сопротивления R_L при различном моменте сопротивления.

На рисунке 2 представлена динамика изменения для двигателя 4ПФ180L времени перехода тиристорного электропривода в автоколебательный режим от сопротивления силовой линии R_L для различных значений нагрузки М_С.

Рисунок 2 - Зависимость изменения времени перехода тиристорного электропривода в автоколебательный режим от сопротивления R_L,

где 1, 2, 3, 4 и 5 – значения нагрузочного момента

Из полученной зависимости видно, что при номинальном моменте сопротивления двигатель 4ПФ180L не переходит в автоколебательный режим. Электропривод продолжает работать в нормальном двигательном режиме независимо от сопротивления R_L.

Аналогично были получены зависимости для двигателей 4ПФ160L (рисунок 3) и 4ПФ132L (рисунок 4)

Рисунок 3- Зависимость изменения времени перехода тиристорного электропривода в автоколебательный режим от сопротивления R_L для двигателя 4ПФ160L,

где 1, 2, 3, 4 и 5 – значения нагрузочного момента

Рисунок 4 - Зависимость изменения времени перехода тиристорного электропривода в автоколебательный режим от сопротивления R_L для двигателя 4ПФ132L,

где 1, 2, 3, 4 и 5 – значения нагрузочного момента

Представленные на рисунках 6 – 8 характеристики показали нелинейный характер изменения устойчивости тиристорного электропривода при электроснабжении от источника соизмеримой мощности с изменением сопротивления R_L. С уменьшением мощности двигателя отмечено явление, которое характеризуется уменьшением времени перехода из двигательного режима в автоколебательный при малых сопротивлениях R_L. Для двигателей же средней мощности 4ПФ180L характерно наличие степенной формы графиков (y = x^p, где р<0).

Список использованной литературы

1. Булатов А.И., Проселков Ю.М., Шаманов С.А. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин: Учеб. для вузов. – М.: Недра-Бизнесцентр, 2003. – 1007 с.

2. Парфенов Б.М., Кожаков О.И., Шиленков В.А. Электропривод буровых установок // Привод и управление. – 2001. - № 5. – С. 8-15.

3. Эм Г.А., Брейдо И.В.Тиристорный электропривод постоянного тока горных машин: Влияние импульсного характера работы силового преобразователя на свойства тиристорного электропривода постоянного тока: Монография / LAPLAMBERTAcademicPublishingGmbH&Co. KG Heinrich-Böcking-Str. 6-8, 66121 Saarbrücken, Germany, 2012. – 83 с.