30 УДК 621.002 ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТОРФОБРИКЕТНОГО ПРЕССА Инж. МОРОЗЬКО О. А., канд. техн. наук, доц. ПЕТРЕНКО Ю. Н. Белорусский национальный технический университет Мировой опыт использования торфа, его широкая распространенность в Беларуси доказывают необходимость повышения эффективности и объемов применения этого природного сырья в энергетике и сельском хозяйстве. Ис- пользование торфа в республике осуществляется по пяти основным направле- ниям: топливно-энергетическое, сельскохозяйственное, химико- технологическое, медицинское, природоохранное [1]. В Республике Беларусь имеется возможность увеличения объемов добычи торфа в 2,0–2,5 раза для топливно-энергетических целей и сельского хозяй- ства, что важно для увеличения доли торфа в производстве тепловой и элек- трической энергии за счет местных природных ресурсов. Основной задачей торфяной промышленности является обеспечение по- требности населения и коммунально-бытовых потребителей, топливно- энергетического комплекса республики в торфяном топливе и продук- ции на основе торфа – топливных брикетах, кусковом торфе, торфе топлив- ном и т. д. Основная продукция торфопредприятий – торфяные топливные брикеты. В 2006 г. произведено 1240 тыс. т брикетов, из которых топливоснабжающим организациям областей реализовано 808,1 тыс. т, или 78,5 % от общего объе- ма реализации данного топлива в республике [1]. Эта работа сфокусирована на производстве торфяных брикетов для нужд энергетики, а именно на составной части завода по производству данного вида продукции – торфобрикетном прессе. Согласно представленной выше информации целесообразно рассмотрение имеющегося в эксплуатации торфобрикетного пресса МС1600-35Т с целью его усовершенствования. Для анализа работы существует необходи- мость разработки полнофункциональной трехмерной модели привода данного типа пресса, что позволит минимизировать затраты при его модернизации. На рынке программного обеспечения существует множество продуктов, позволяющих спроектировать трехмерные модели различных механизмов. Однако применительно к приводу торфобрикетного пресса, состоящего из таких основных типов кинематических передач, как клиноременная и косозу- бая, а также кривошипно-шатунный механизм (рис. 1), ввиду некоторых фак- торов, рассмотренных ниже, наиболее целесообразно использовать Solid- Works 2009 [2]. На основании имеющейся конструкторской документации был построен трехмерный сборочный чертеж привода двухштемпельного торфобрикетного пресса. При помощи задания различного рода сопряжений между деталями сборочный чертеж был преобразован в динамически подвижную модель. Имитация вращения вала электродвигателя с заданной частотой осуществля- ется при помощи команды «вращающийся двигатель» приложения SolidWorks 31 Simulation. На следующем этапе проектирования были добавлены материалы каждого компонента сборки. Массы и координаты центров масс вычислены автоматически [3]. 3 Рис. 1. Кинематическая схема привода торфобрикетного пресса: 1 – электродвигатель; 2 – клиноременная передача; 3 – косозубая передача; 4 – кривошипно-шатунный механизм Таким образом, была получена трехмерная взаимосвязанная динамическая модель привода двухштемпельного пресса МС1600-35Т (рис. 2). Рис. 2. Модель привода торфобрикетного пресса МС1600-35Т в SolidWorks 2009 С целью оптимизации времени для расчета, улучшения наглядности и ограничения необходимых вычислительных ресурсов компьютера данная мо- дель представлена в несколько упрощенном виде. В частности, отсутствуют такие детали, как основание, корпус, крышки, болты, тормозные колодки и некоторые другие. Однако отсутствующие детали либо заменены соответ- ствующими сопряжениями, что никак не повлияет на расчеты, либо их отсут- ствие может повлиять на расчеты несущественно. Построенная модель Solid Works 2009 пригодна для анализа прочности, а также иных анализов механической природы (приложение COSMOS- Xpress, COSMOSWorks и пр.). Однако она не отображает процессы преобра- зования электрической энергии сети во вращательную энергию привода (воз- вратно-поступательное движение штемпеля), а также процессы управления этим движением. Поэтому для осуществления имитационного моделирования именно электрических и электронных составляющих механизмов широко 4 2 1 32 применяется среда MATLAB r2009a. Данный программный продукт хорошо применим и для привода пресса МС1600-35Т. Проблема связи модели привода торфобрикетного пресса, разрабо- танной при помощи SolidWorks 2009, и модели, разработанной в среде MATLAB r2009a, решается при помощи добавления в SolidWorks 2009 при- ложения SimMchanics Link (*.xml) [4]. Последнее преобразует трехмерную модель SolidWorks (*.sldasm) в формат, совместимый с приложением SimMe- chanics среды MATLAB (*.xml). Таким образом, добавляя к имеющейся имитационной модели механиче- ской части привода имитационные модели электродвигателя, преобра- зователя частоты и системы управления преобразователем, состоящие из набора стандартных блоков библиотек Simulink среды MATLAB, можно по- лучить полноценную трехмерную модель привода двухштемпельного тор- фобрикетного пресса МС1600-35Т. Данная модель представлена на рис. 3. Рис. 3. Полная модель привода торфобрикетного пресса: 1 – блок задания сигнала скоро- сти вращения; 2 – АИН со скалярным управлением; 3 – асинхронный двигатель с короткоза- мкнутым ротором; 4 – механическая подсистема; 5 – подсистема задания статического момента АД Блок 5 «Подсистема задания статического момента АД» на основании входных сигналов о положении штемпеля (поршня, piston) автоматически вы- числяет статический момент, прикладываемый к электродвигателю, что соот- ветствует реальности. Третий входной сигнал при необходимости имитирует подачу торфа в прессовую камеру лишь после разгона привода до номиналь- ной (заданной) скорости вхолостую. К данной модели прикреплен визуальный образ, представленный на рис. 4. Рис. 4. Визуализация торфобрикетного пресса в MATLAB I II III 2 1 3 4 5 33 Теперь на основании созданной модели можно получить любые интересу- ющие нас графики. Так, в результате имитационного моделирования при условиях производства брикета из торфа зольностью не более 23 % и влажно- стью не более 20 % (марка БТ-7 ТУ РБ 02999284,311–2000 [5]) был получен график изменения электромагнитного момента двигателя (рис. 5). Рис. 5. График изменения электромагнитного момента двигателя В результате проделанной работы построена полноценная имитационная модель привода двухштемпельного торфобрикетного пресса МС1600-35Т. При- менение данной модели целесообразно для проведения различного рода мо- дернизаций привода пресса, а также для анализа их эффективности. Основными преимуществами использования разработанной модели явля- ются: • комплектность. Модель позволяет анализировать результаты расчета ме- ханических и электрических параметров (величин) одновременно, а не по от- дельности; • взаимосвязанность. При изменении какого-либо параметра (величины) изменения отражаются на всей модели; • наглядность. Все основные части привода объединены в подсистемы с применением визуальных образов, что позволяет даже неопытному специа- листу легко ориентироваться и находить интересующие имитационные блоки. К возможным недостаткам построенной модели можно отнести лишь до- статочно высокие требования к вычислительным ресурсам компьютера, одна- ко этот недостаток становится все менее актуальным ввиду интенсивного раз- вития вычислительной техники. Теперь с помощью имеющейся модели в качестве конкретного примера проведем сравнительный анализ целесообразности применения различных вариантов АИН (рис. 3, блок 2). Применяемая на данный момент силовая цепь электропривода торфобрикетного пресса схематично изображена на рис. 6. Инвертор состоит из шести биполярных транзисторов Т1–Т6. Сопротивле- ние R1 ограничивает пусковой ток и перезаряд конденсатора С1 звена посто- янного тока. Катушка реле L1 находится без питания, пока конденсатор пол- ностью не зарядится. При обрыве фазы катушка реле автоматически выклю- чается. Для генерирования сигналов ШИМ и соединения импульсов управления непосредственно с силовыми транзисторами используется высоко- 20 40 60 80 100 120 140 t, с 160 1200 M, Нм 800 400 0 34 интегрированная схема, представленная на рис. 7. В данном случае управ- ление и интерфейс осуществляются соответственно четырьмя и шестью стан- дартными цепями КМОП логики (CMOS). Рис. 6. Схема силовой цепи привода Рис. 7. ШИМ генератор и его интерфейс с силовым транзистором Обозначим буквой А* отношение амплитуды синусоидального к амплиту- де несущего пилообразного сигналов. Пример сгенерированных импульсов на основе пилообразного несущего напряжения при частоте модуляции mf = 15 (отношение частоты «пилы» к частоте синусоиды) и А* = 1 показан на рис. 8а. Данная частота модуляции выбрана с точки зрения наглядности. Для обеспе- чения симметричности фаз частота модуляции должна быть нечетной. К тому же для обеспечения трехфазной симметрии она должна делиться на три, т. е. mf = 6p + 3, где p – целое число [11]. Одной из альтернатив для ШИМ с пилообразным несущим напряжением является симметричная ШИМ, полученная по уравнениям [12]: sin ; 2(2 1) 2 1i T i r r π τ = + + 0,5 , 2 1i i iT r  α = − τ +  (1) (см. рис. 2) fOCТ fRCТ fУCТ fFCТ Информационные входы 35 где αi – угол начала i-го импульса; Т – период ШИМ; r – число импульсов за период; i – номер импульса. В качестве примера приведем график изменения питающего напряжения для частоты модуляции mf = 16 (рис. 8б), рассчитанный в среде MATLAB. а 1,500 1,505 1,510 1,515 1,520 1,525 1,530 1,535 1,540 б 1,500 1,505 1,510 1,515 1,520 1,525 1,530 1,535 1,540 в 1,500 1,505 1,510 1,515 1,520 1,525 1,530 1,535 1,540 Рис. 8. ШИМ: а – при пилообразном несущем напряжении; б – построенная по (1); в – четырехуровневая Мощность электродвигателя в приводе пресса составляет 160 кВт. В настоящее время все больше внимания уделяется применению многоуров- невых инвертеров напряжения в приводах мощностью от 200 кВт и выше. Но нижняя граница диапазона применяемости достаточно условна. Поэтому существует необходимость рассмотрения целесообразности приме- нения многоуровневых инверторов напряжения для привода торфобрикетного пресса. На рис. 9 приведена четырехуровневая функциональная схема сило- вой части частотного электропривода (ЧЭП), выполненная на транзисторах IGBT. В данном случае схема содержит две общие точки О1 и О2, при этом амплитуда линейного напряжения инвертора, которое может быть достигнуто, Uл.м = 3U0. С целью обеспечения достаточной наглядности и сравнимости результатов моделирования работы пресса будем использовать трехуровневую ШИМ с 400 300 200 100 0 –100 –200 –300 –400 400 300 200 100 0 –100 –200 –300 –400 400 300 200 100 0 –100 –200 –300 –400 36 частотой модуляции mf = 15, в данном случае в качестве несущего напряже- ния для каждого уровня – генератор пилообразного напряжения. Рис. 9. ЧЭП на базе четырехуровневого АИН: 1 – звено постоянного тока; 2 – трансформатор; 3 – выпрямительные мосты; 4–6 – конденсаторы; 8–10 – вентильные секции; 11 – электродвига- тель; 12–18 – транзисторы IGBT с защитными диодами (6 шт. в секции, 18 шт. в преобразователе); 20, 21, 26, 27 – блокирующие диоды Все прочие условия работы (время моделирования, время нарастания напряжения, условия нагрузки и т. д.) оставим аналогичными, как и для пер- вых двух случаев. Таким образом, промоделировав, получим график изменения питающего напряжения фазы двигателя, представленный на рис. 8в. В Ы В О Д Ы 1. Разработанная модель адекватно отражает электромеханические и элек- тромагнитные процессы автоматизированного электропривода торфобрикет- ного пресса. 2. Использование разработанной модели позволит уменьшить финансовые и временные затраты на этапе разработки, проектирования и эксплуатации привода двухштемпельного торфобрикетного пресса. 3. С точки зрения качества выходного сигнала преобразователя и как след- ствие КПД целесообразно использовать трехуровневую ШИМ. Однако дан- ный способ модуляции значительно усложняет структуру преобразователя. Поэтому вопрос практической применимости преобразователей частоты с трехуровневыми ШИМ в приводе торфобрикетных прессов остается откры- тым и требует дальнейшего рассмотрения с других точек зрения (надежности, экономической и пр.). 37 Л И Т Е Р А Т У Р А 1. О б у т в е р ж д е н и и Государственной программы «Торф» на 2008–2010 гг. и на пе- риод до 2020 г.: постановление Совета Министров Респ. Беларусь, 23.01.2008 № 94. Mode of access: http://www.pravoby.info/docum09/part07/akt07144/index.htm – Date of access: 01.02.2011. 2. L o m b a r d, M a t t. SolidWorks Bible / Matt Lombard: Wiley Publishing, Inc. – 2009. – 1177 p. 3. Л а з а р е в, Ю. Ф. Начала программирования в среде MATLAB: учеб. пособие / Ю. Ф. Лазарев. – Киев: НТУУ «КПИ», 2003. – 424 с. – Режим доступа: http://www.math- works.com/products/simmechanics/download_smlink_confirmation.html – 01.02.2011. 4. А р т и ш е в с к и й, В. А. Рациональный асинхронный электропривод торфобрикетных прессов: автореф. дис. … канд. техн. наук / БПИ. – Минск, 1965. 5. О п е й к о, Ф. А. Степень переработки торфа в перерабатывающих и формующих ма- шинах / Ф. А. Опейко // Труды АН БССР. Институт торфа. – Минск: Изд-во АН БССР, 1953. – Вып. 2. 6. Б у л ы н к о, М. Г. Брикетирование торфа / М. Г. Булынко, В. Н. Иванов, М. И. Сарма- тов. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1962. – 304 с. 7. О п е й к о, Ф. А. Определение затрат энергии во время механической переработки тор- фа-сырца / Ф. А. Опейко // Механизация и электрификация торфяной промышленности: мате- риалы науч.-техн. совещания, Минск, Белорусское отделение Всесоюзного науч- но-технического общества энергетиков, Министерство местной промышленности, Инсти- тут торфа, АН БССР, Республиканский дом техники ММ и ТП БССР. – Минск: Изд-во АН БССР, 1955. 8. A n d r i e s s e, J. P. Nature and management of tropical peat soils / J. P. Andriesse // Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). – Rome: Food & Agriculture Org., 1988 – 165 p. 9. M a r o z k a, A. A. Peat briquetting press simulation / Aleh Marozka, Yury Petrenko // Junior researchers’ conference: materials of the Conf., Novopolotsk, April 27–28, 2011 / Polotsk State Uni- versity. – Novopolotsk, 2011. – P. 44–47. 10. М о р о з ь к о, О. А. Имитационное моделирование электропривода торфобрикетного пресса / О. А. Морозько, Ю. Н. Петренко // Автоматизация технологических процессов: мате- риалы междунар. науч.-техн. конф. – Минск: Бизнесофсет, 2011. – С. 105–106. 11. U n d e l a n d, T o r e M. Overmodulation and Loss Considerations in High–Frequency Modulated Transistorized Induction Motor Drives / Tore M. Undeland, Ned Mohan // IEEE Transac- tions on power electronics. – 1988. – Vol. 3, No. 4, October. – P. 447–452. 12. С т р и ж н е в, А. Г. Спектральный анализ напряжений, питающих электродвигатель переменного тока / А. Г. Стрижнев, Ю. Н. Петренко, Г. В Ледник // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2010. – № 2. – С. 25–30. Представлена кафедрой электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов Поступила 10.10.2011