Одним из основных направлений совершенствования электромеханических и электротехнических технологий для нефтегазовой промышленности является проектирование и применение эффективных векторных систем управления частотными приводами с асинхронными двигателями. Каковы преимущества векторных систем?
Основное направление развития промышленной технологии – это обеспечение высокой надежности и эффективной, экономичной работы оборудования.
Обеспечить надежную и эффективную работу бурового оборудования может автоматизированный асинхронный электропривод с векторным управлением. Отметим, что системы на основе электропривода потребляют больше 60 % производимой в мире электроэнергии.
Асинхронный бесконтактный двигатель имеет высокую надежность по показателю интенсивности отказов (до 10-6 1/час при условиях эксплуатации УХЛ4) и меньший динамический момент инерции ротора по сравнению с двигателями постоянного тока. Векторные системы управления на современных микроэлектронных элементах способны обеспечить полное использование динамических показателей асинхронного двигателя.
Сочетание этих факторов открывают возможности совершенствования технологических процессов в механизмах с переменной нагрузкой, характеризующихся значительным моментом в динамике, в том числе при пуске. В таких автоматизированных электроприводах решается задача получения стабильной скорости, режима постоянной мощности, рационального использования электроэнергии в установившихся и динамических режимах работы.
Системам подчиненного векторного управления электроприводом (СПВУ) уделено значительное место в литературе [ 1-7].
Практический интерес, наряду с системой «Transvektor» фирмы Siemens (с опорным вектором потокосцепления ротора), представляют системы с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя Ψ0, которые появились в нашей стране и стали именоваться векторными системами, а теоретические основы этих систем нашли отражение в материалах VII Всесоюзной конференции по автоматизированному электроприводу в 1975 г. [1], а также других работах.
Анализ процессов в асинхронной машине во вращающейся системе координат вектора главного потокосцепления, а также в системе вектора потокосцепления ротора позволил сделать следующие заключения.
1. В системе подчиненного векторного управления с опорным вектором главного потокосцепления – и вектором потокосцепления ротора при стабилизации модуля потокосцепления регулирование составляющей тока статора i2 обеспечивает управление электромагнитным моментом и, следовательно, скоростью. При этих условиях значения переменных i1, i2, u1, u2 определятся только неконтролируемым входом Мс. В этих системах электромагнитный момент асинхронного двигателя (АД):
2. Магнитный поток в асинхронной машине пропорционален модулю главного потокосцепления. Магнитное напряжение воздушного зазора составляет до 80 % напряжения всех магнитных участков и мало изменяется при существенном изменении нагрузки. Использование в качестве опорного вектора Ψ0 позволяет осуществить оптимальное векторное управление по критерию минимума потерь в меди.
3. При использовании координат, связанных с главным потокосцеплением, стабилизация Ψ0 определяет ограничение перегрузочной способности системы. Максимальный момент системы Mmax (при индуктивных сопротивлениях рассеяния статора и ротора x1 ≈ x2 и активном сопротивлении статора r1 → 0) определяется выражением
4. Насыщение магнитопровода при изменении магнитных потоков, связанное с существенным изменением индуктивности Lm, даже при стабилизации Ψr, влияет на динамику системы [1]. При использовании системы координат Ψr насыщение стали не фиксируется, а потокосцепление в зазоре машины в этом случае определяется выражением
Из (4) видно, что с ростом нагрузки модуль главного потокосцепления увеличивается. В реальной машине росту çΨ0ç препятствует насыщение, причем сталь машины может быть введена в зону значительного насыщения, что ограничивает перегрузочную способность АД. Кроме того, при возрастании степени насыщения стали ток статора АД растет быстрее, чем çΨ0çи M, что способствует росту потерь.
Система векторного управления была испытана на станке геолого-разведочного бурения СКБ-4 и обеспечила все требующиеся режимы работы. Вместе с тем исследование некоторых, в том числе предельных режимов работы электропривода, с использованием физической модели затруднено или невозможно.
К наземным буровым установкам, применяемым для разведочного и эксплуатационного бурения на нефть и газ, предъявляются высокие требования по улучшению эксплуатационных параметров. Чтобы в современных условиях достичь новых месторождений полезных ископаемых компаниям необходимы различные установки для бурения. Согласно методике поиска нефти и газа на первом этапе проводится сейсмическая разведка для выявления перспективных нефтегазоносных структур. Затем возможен этап разведочного бурения, потребуется бурить оценочные или параметрические скважины, что необходимо для промышленной эксплуатации месторождения. Установки разведочного бурения различаются по глубине бурения: до 50 м; до 100 м; до 300 м; до 1000 м. Рационально применение буровых установок (станков) на бурении взрывных скважин, испытании и капитальном ремонте, повторном и оценочном бурении.
Сравним показатели привода с векторным управлением и приводов других типов с помощью компьютерного моделирования на примере станка СБШ-250МНА-32 для бурении взрывных скважин.
Будем исходить из того, что в условиях случайного течения процесса, осложняемого режимами вибрации, автоматизация процесса бурения затруднена. Необходимы системы привода, позволяющие эффективно управлять параметрами режима бурения с целью поддержания оптимального режима бурения по принятому критерию эффективности.
В настоящее время для бурения взрывных скважин в России используется около 200 станков шарошечного бурения, из них 160 станков СБШ-250МНА-32 производства УГМК «Рудгормаш». Регулируемые электроприводы вращателей этих буровых станков выполнены, как правило, по системе «тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока» (ТП-Д). В таких электроприводах для обеспечения требуемой жесткости характеристики используется отрицательная обратная связь по напряжению (скорости) якоря и внутренний контур тока двигателя постоянного тока (ДПТ).
Наряду с преимуществами, электропривод постоянного тока по системе ТП-Д имеет ряд известных недостатков, которые отсутствуют в асинхронных частотных электроприводах, выполненных по системе «преобразователь частоты – асинхронный двигатель» (ПЧ-АД).
С учетом сказанного целесообразно рассмотреть частотный электропривод с векторным или скалярным управлением. Применение частотного регулирования позволяет использовать серийные частотно-регулируемые асинхронные электродвигатели, например серии АИ, для всех приводов, требующих регулирования механических характеристик. Как показывает практика, они фактически не нуждаются в обслуживании, обеспечивают защиту от перегрузок и перегрева.
Исходными данными для моделирования с помощью пакета MatLab/Simulink являются технические требования к электроприводу, сформулированные в техническом задании на данный механизм и электропривод. При изменении скорости и переменной нагрузке важно с помощью компьютерного математического моделирования сравнить динамические показатели электроприводов.
Сравниваемые варианты электропривода вращателя [5]:
• привод ПЧ-АД с системой векторного управления;
• привод ПЧ-АД с системой скалярного управления (СПСУ) и также как в СПВУ с обратной связью по скорости и внутренним контуром тока в канале скорости;
• привод ТП-Д (базовый) с обратной связью по скорости и внутренним контуром тока и двигателем ДПВ-52.
Следует заметить, что в сравниваемых вариантах систем подчиненного регулирования применялась идентичная структура и типовая настройка контуров регулирования (по условиям технического оптимума). В приводе переменного тока вращателя бурового станка может быть применен двигатель 4А280S6 мощностью 75 кВт.Приведенный момент инерции привода можно считать постоянным, что справедливо при Jдв ≥ (10-20)Jм, передаточном числе редуктора iр > 10 при бурении до 50 м штангами наружным диаметром до 200 мм. При этом условии приведенный суммарный момент инерции J = Jдв + (Jм/iр2) при переходе от бурения одной штангой к бурению на глубине, например, 32 м изменяется примерно на 5 %. Момент инерции ДПТ равен 5,7 кг∙м2, АД 4А280 – 2,9 кг∙м2. (При использовании штанг большего диаметра или утяжеленных штанг приведенный момент инерции на максимальной глубине (54 м) может составлять до 50 % момента инерции двигателя вращателя).
В качестве модели АД использовалась модель, представленная системой дифференциальных уравнений в неподвижных осях α, β, уточненная с целью учета влияния насыщения магнитной системы на динамические свойства привода, в модель автоматизированного электропривода дополнительный контур, обеспечивающий переход в режим работы с постоянной мощностью [7].
При моделировании динамики вариантов сравнивается реакция на линейное изменение задания скорости в процессе пуска, скачкообразное и гармоническое изменение нагрузки и вводится ограничение на величину максимального напряжения (U1max = 1,2 U1н) и др. Проверяется влияние на динамику инвертора преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИП) с несущей частотой fн = 1000 Гц.
На рис.1 представлены переходные процессы при пуске с заданным темпом 200 и 400 рад/с2 в динамической модели привода с векторным управлением ПЧ-АД 4А280S6.
На рис.2 даны процессы при пуске с заданным темпом 200 и 400 рад/с2 привода с скалярным подчиненным управлением ПЧ-АД.
На рис.3 для сравнения приведена динамика пуска базового привода ТП-Д.
На рис.4 – процессы при пуске и работе СПВУ с переменной нагрузкой и с преобразователем ШИП (fн = 1000 Гц).
На рис.1-4 приведены обозначения выходных сигналов: ω – действительная скорость электропривода; ωз – сигнал задания скорости; çΨ0ç – уровень главного магнитного потокосцепления; Us – выходное напряжение преобразователя частоты (преобразователя); UВ – напряжение на выходе управляемого выпрямителя; M – значение момента двигателя; I – ток асинхронного двигателя (ток якоря ДПТ).
Из рис.1 и рис.2, следует, что динамическая ошибка в скалярной системе больше, чем в векторной. Для отработки ошибки по скорости в СПСУ напряжение АД уже в начале пуска должно быть максимальным. Это сопровождается большим, чем в СПВУ максимальным выбросом момента, значительным колебанием момента в переходном процессе пуска.
Из процессов на рис. 4 следует, что переменная нагрузка и использование преобразователя с широтно-импульсной модуляцией не приводит к существенным изменениям в динамике.
Исследование динамики привода бурового станка, рассчитанного на большую глубину бурения (более 50-100 метров) показывает, что при недостаточной информации об объекте регулирования (буровом снаряде) для улучшения качества регулирования следует применять в системе регулирования регуляторы с эталонными моделями, с переменной структурой, с помощью методов нечёткой (фаззи-) логики..
В целом аналогичные результаты получены при моделировании СПВУ с опорным вектором потокосцепления ротора, но с некоторыми особенностями, обусловленными (3), которые дают преимущества СПВУ с опорным вектором главного потокосцепления, в том числе для привода буровых станков [4].
Вывод:
Анализ динамических процессов автоматизированных электроприводов буровых станков показывает, что асинхронный электропривод с системой векторного управления превосходит по динамике существующие приводы и позволяет в полной мере использовать преимущества асинхронного двигателя в динамических режимах.
Список литературы
1. Теоретические основы построения частотных электроприводов с векторным управлением / В.А.Дартау, В.В.Рудаков, А.Е.Козярук, Ю.П.Павлов, А.Л.Аверкиев // Автоматизированный электропривод. М.: Энергия, 1980. С.93-101.
2. Дартау В.А. Векторное управление машинами переменного тока / В.А.Дартау, В.В.Рудаков // Записки ЛГИ. Т.LXX. Вып.1. 1976. С.48-54.
3. Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением / В.В.Рудаков, И.М.Столяров, В.А.Дартау. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 136 с.
4. Выбор системы координат при реализации алгоритма векторного управления асинхронным электроприводом / В.В.Алексеев, А.Е.Козярук, В.В.Рудаков, В.Н.Язев // Электротехника. 2010. № 12. С.2-9.
5. Алексеев В.В. Электрический привод. Моделирование приводов с векторным управлением горного оборудования / В.В.Алексеев, А.Е.Козярук, С.В.Бабурин. НМСУ «Горный». СПб, 2013. 57 с.
6. Алексеев В.В. Модель системы подчиненного векторного управления асинхронным приводом вращателя бурового станка / В.В.Алексеев, В.Н.Язев // Горное оборудование и электромеханика. № 7. 2008. С.33-35.
7. Алексеев В.В. Электрические машины. Моделирование электрических машин приводов горного оборудования / В.В.Алексеев, А.Е.Козярук, Э.А.Загривный. СПГГИ. СПб, 2006. 58 с.
