Введение к работе
Актуальность работы. Одним из путей дальнейшего повышения технико-экономических показателей горных машин является совершенствование методов исследования и расчетов их электромеханических систем. На этих методах основывается проектная практика. Над решением проблемы создания эффективных средств исследования и проектирования горных машин и их электромеханических систем работает ряд научно-исследовательских, проектно-конструкторских организаций, а также ряд высших учебных заведений России и других стран. Большой вклад в разработку научных основ этой проблемы внесли Я.И. Альшиц, В.Е. Бурдин, П.А. Горбатов, Е.Е. Гольдбух, В.Г. Гуляев, Б.Л. Давыдов, А.В. Докукин, П.М. Золотарев, В.П. Кондрахин, Ю.Д. Красников, Ю.В. Кривченко, В.К. Кутас, А.Б. Логов, Ю.В. Москвин, В.Б. Павельев, Н.П. Павлюк, П.П. Палев, Б.А. Скородумов, П.А. Сиригос, П.В. Семенча, СВ. Солод, З.Я. Хургин, Л.И. Чугреев и другие. Научные основы исследования режимов работы электромеханических преобразователей энергии изложены в трудах А:А: Булгакова, А.И. Важнова, С.Н. Вешеневского, А.И. Вольдека, А.А. Горева, Я.П. Гринберга, И.П. Копылова, К. Ковача, Е.В. Кононенко, Г.Крона, А.В. Лооса, A.M. Мейстеля, Р. Парка, И.И. Петрова, Л.П. Петрова, В.М. Петрова, И.М. Постникова, И. Раца, Г.А. Сипайлова и других.
Однако до настоящего времени горные машины (ГМ) не являются в достаточной мере изученными объектами с точки зрения формирования нагрузок в их элементах.
Многими исследователями отмечается, что в существующих нормативных документах по расчету деталей трансмиссий на прочность и долговечность не отражена реальная картина нагружения, например, очистных комбайнов в процессе эксплуатации, что наблюдается несоответствие расчетных и фактических режимов нагружения, вызванное недостоверным выбором модели процесса, что существующие методы расчетов нагруженности элементов трансмиссии не дают удовлетворительной сходимости с данными экспериментальных исследований. Также отмечается, что до настоящего времени отсутствует достоверная объективная информация о реальных режимах нагружения деталей горных машин, и рекомендуется повышение надежности горных выемочных машин вести в направлении уточнения эксплуатационной нагруженности деталей и совершенствования расчетов.
Переходные режимы пуска и стопорения составляют значительную долю всего рабочего цикла ГМ. Электромеханические системы ГМ в режиме пуска или стопорения находятся в специфических условиях работы.
Специфика состоит в способе изменения энергетического состояния системы. Например, в режимах пуска происходит резкое изменение потока энергии, направляемого в систему со стороны силового трансформатора, а режимах стопорения, особенно экстренного, происходит интенсивное перераспределение запасенной энергии между элементами электромеханических систем ГМ.
Эти процессы интенсивного изменения энергетического состояния системы сопровождаются появлением в механических и электрических элементах приводов ГМ значительных по величине перегрузок. С точки зрения нагруженности элементов приводов в режимах пуска и стопорения можно говорить о предельном состоянии всей электромеханической системы привода. По этой причине можно назвать рассматриваемые режимы работы горных машин предельными и далее в тексте для определения режимов пуска и стопорения использовать этот термин.
Теоретическое исследование и, следовательно, проектирование приводов ГМ для режимов пуска и стопорения затруднено по следующим причинам:
1. Из-за наличия конечной жесткости элементов трансмиссий
(механических передаточных устройств - МПУ), из-за присутствия в них
зазоров в предельных режимах работы существуют моменты времени,
когда при вращающемся роторе (роторах в многодвигательном приводе)
исполнительного асинхронного электродвигателя (АД) исполнительный
орган ГМ неподвижен. Для этих моментов времени (для этих условий пе
редачи энергии от валов двигателей к исполнительным органам) недо
пустимо вести расчеты по оценке внутреннего состояния МПУ с ис
пользованием широко распространенных двух- или трехмассовых приве-
денных расчетных схем.
2. Во время работы существует несколько контуров обмена энерги
ей между элементами электромеханической системы. Например, для
двухдвигательного выемочного комбайна 1ГШ68 существуют пути обме
на электрической энергией между обмотками статоров электродвигателей
и силового трансформатора, кинетической энергией вращающихся масс
между трансмиссиями при жестко связанных роторах, а также пути об
мена энергией в процессах преобразования энергии между электриче
скими и механическими компонентами привода.
Существование множества путей обмена энергией в электромеханической системе при ее теоретическом исследовании требует полного поэлементного описания системы и в том числе ее механических компонентов.
3.
Особенность схемной. компрновки электрических машин электро-:
механических систем ГМ состоит в том, что в большинстве современньк
угледобывающих комбайнов используемые АД (электромеханические
преобразователи энергии) оказываются в процессе пуска включенными
"параллельно", но не сразу, а в определенной временной последователь
ности, При этом в предельных режимах работы они оказывают. влияние
не только.друг на друга, но и на процессы формирования внутреннего
динамического состояния МПУ. Это приводит к необходимости рассмот
рения переходных явлений не на основе использования математических
моделей одиночного электромеханического преобразователя, а целиком
связанной системы передачи и преобразования энергии "силовой транс
форматор - протяженная кабельная сеть - АД - АД", а поскольку при
этом изменяется силовое воздействие на МПУ, то в целом необходимо
рассматривать в предельных режимах единую цепь энергетического пре
образования "силовой трансформатор - кабельная сеть - АД - АД - МПУ".
Модели, описывающие совместную работу нескольких электромеханиче
ских преобразователей энергии, кабельной сети и трансформатора, от
сутствуют. . . ;:,'.
-
Корпуса некоторых горных машин незакреплены и имеют возможность пространственного (вибрационного) изменения, их,положения в режимах пуска и стопорения. Поскольку исполнитёльныёГАД конструктивно составляют единое целое с корпусами, то при всяком изменении положений корпусов могут происходить пространственные изменения положений обмоток статоров АД относительно осей роторов (особенно для современных компоновочных схем выемочных комбайнов). Существующая теория описания переходных процессов в электромеханических преобразователях ориентирована на неподвижный статор двигателя. Вопросы формирования электромагнитных моментов асинхронных электродвигателей с незакрепленным статором не изучены.
-
Предельные режимы работы, как правило, сопровождаются изменением скоростей вращения всех элементов электромеханических систем ГМ в полном диапазоне. Для применяемых в приводах ГМ короткозамк-нутых асинхронных электродвигателей с глубокопазными роторами это означает изменение параметров обмоток роторов, а также параметров цепей намагничивания во время существования этих режимов. Вопросы определения параметров АД, особенно роторных цепей требуют дополнительного изучения.
-
Формирование необходимой динамической нагруженное ГМ возможно на основе использования исполнительных электрических ма-
шин в качестве элементов, создающих силовые управляющие воздействия. При этом задача управления сводится к управлению состоянием электрических машин и, в частности, к задаче формирования необходимого значения электромагнитного момента двигателя.
Вопросы использования исполнительных электрических машин многодвигательного привода ГМ в качестве формирователей силовых управляющих воздействий на механические передаточные устройства в дос-таточной мере не исследованы.
Перечисленные проблемы свидетельствуют о необходимости уточнения теории динамических явлений в электромеханических системах горных машин, находящихся в предельных режимах и об актуальности работы.
Связь темы диссертации с государственными научными программами.
Исследования проводились в рамках комплексного плана Е42 "Автоматизация электротехнического оборудования" (приказ Министерства электротехнической промышленности СССР №563 от 04.11.80) и отраслевой научно-технической программы Министерства электротехнической промышленности СССР (приказ МТМ №547 от 21.10.85)
Цель работы - разработка основ комплексного описания, объяснения и прогнозирования динамических процессов передачи и электромеханического преобразования энергии в горных машинах в режимах пуска и стопорения, направленных на повышение уровня эксплуатации и для использования при исследовании этих процессов в проектной практике.
Идея работы состоит в использовании (учете) явлений в интегрированной1 системе передачи и электромеханического преобразования энергии при формировании ее динамической нагруженности для разработки методов описания, объяснения и прогнозирования состояний горных машин в режимах пуска и стопорения на базе численных методов и теории оптимального управления.
Научная проблема состоит в:
- разработке структуры интегрированной математической модели передачи и электромеханического преобразования энергии силовыми электрическими компонентами многодвигательного привода горных машин, учитывающей возможность обмена энергией между ее компонентами, изменение параметров компонентов, возможность пространственного
включающей компоненты: силовой трансформатор, кабельную сеть, АД, АД, МПУ, исполнительный орган.
(вибрационного) изменения положения привода, изменение условий передачи энергии;
разработке методов определения параметров и характеристик асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором в полном диапазоне изменения скоростей вращения роторов;
исследовании вопросов управления состоянием приводив горных машин, обеспечивающих возможность проведения как параметрической оптимизации привода, так и активных форм управления;
получении и оценке динамических характеристик интегрированных моделей для определения условий реального нагружения элементов электромеханических систем приводов в предельных режимах работы.
Защищаемые научные положения и результаты, их новизна. Положения:
-
Моделирование системы передачи и электромеханического преобразования энергии компонентами "трансформатор - кабельная сеть -АД - АД - механическое передаточное устройство - внешняя среда" (интегрированной системы) в виде системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений переменной структуры с учетом установленных явлений является основой для представления процессов формирования динамической нагруженное электромеханических систем горных машин для режимов пуска и стопорения.
-
Оценка динамической нагруженное элементов электромеханических систем горных машин производится на основе интегрированных математических моделей, которые комплексно учитывают явления, связанные с обменом энергией между ее компонентами, изменением параметров компонент при изменении скоростей вращения двигателей от нуля до области номинальных значений, влиянием пространственного (вибрационного) изменения положения электромеханических преобразователей на величины их электромагнитных моментов, влиянием условий передачи энергии от валов двигателей к исполнительным органам (влияние распределенной системы зазоров трансмиссий и пр.) на качественные и количественные характеристики погруженности приводов и базируются на специально разработанных методах учета этих явлений.
-
Определение параметров и характеристик исполнительных асинхронных электродвигателей для полного диапазона изменения их скоростей вращения производится на основе информации, содержащейся в значениях и формах токов и напряжений статоров двигателей в режиме пуска.
4. Построение практических вариантов систем управления динамической нагруженностью производится на основе специально полученных средствами вариационного исчисления произвольных совокупностей оптимальных связей целевых функционалов с уравнениями движения, которые неявным образом учитывают структуру и режим работы приводов горных машин.
Результаты.
-
Создано математические описание процессов передачи и электромеханического преобразования энергии в приводе горной машины с областью действия - "силовой трансформатор - протяженная кабельная сеть - асинхронныа*электродвигатели - компоненты механического передаточного устройства (трансмиссия) - исполнительный орган" для исследования динамических процессов горных машин в режимах пуска и сто-порения. Математическое описание этой интегрированной системы дает возможность исследовать состояние, поведение и влияние любого ее компонента на другие (электрические или механические) на уровне внешней и внутренней динамики горной машины.
-
Разработано математическое описание горной машины для режимов пуска и. стопорения, которое позволяет обеспечить уточнение эксплуатационной нагруженности элементов привода за счет учета изменения их параметров, а также за счет учета особенностей формирования величин электромагнитных моментов электродвигателей при пространст1 венном (вибрационном) перемещении корпусов горных машин и взаимовлияния электрических и механических элементов приводов.
-
Созданы алгоритмы преобразования информации по данным типовых статических испытаний асинхронных электродвигателей, которые дают возможность получения зависимостей переменных параметров роторов и цепей намагничивания от скорости вращения ротора для использования в интегрированной модели привода горной машины (ГосФАП №50860000768).
; 4. Получены сведения о наблюдаемых и ненаблюдаемых параметрах, статических и динамических характеристиках исполнительных асинхронных электродвигателей приводов на основе информации, содержащейся только в формах и значениях токов и напряжений их обмоток статоров в предельных режимах работы (А.с.№ 1468211) .
5. Результаты опытно-промышленной эксплуатации компьютеризированного комплекса для проведения испытаний асинхронных электродвигателей подтверждают положения разработанной теории определения
необходимых для исследования систем горных машин электромагнитных и механических параметров и характеристик двигателей (А.с.№1802347).
6. Синтезированы квазиоптимальные управления состоянием при
вода горных машин, которые обеспечивают в предельных режимах рабо
ты улучшение их динамического состояния. Например, для забойных
машин, обеспечивается улучшение динамической нагруженности приво
да ГМ с одновременным подавлением автоколебаний, характерных для
систем "преобразователь - АД" (А.с.№782115).
Исследованные в реальных условиях эксплуатации горных машин аналитические конструкции регуляторов для управления динамическим состоянием приводов (например, скребковых конвейеров) обеспечивают улучшение динамического состояния приводов, уменьшая амплитуды динамических составляющих усилий в, механических компонентах приводов в 5-7 раз (А.с.№№750175, 953293,899884).
7. Получены количественные и качественные оценки динамическо
го состояния привода (на примере привода резания выемочного комбай
на) которые обеспечивают возможность исследования режимов работы
электрических и механических элементов конкретного привода ГМ для:
условий пуска и стопорения исполнительных органов; условий использо
вания горной машины в сети энергоснабжения с различной длиной пи
тающего кабеля; условий использования приводов горных машин с дви
гателями, отличающимися по параметрам, з частности, исследовать
влияние отличия параметров электродвигателей в двухдвигательном.при
воде комбайна на динамическую нагруженность зубчатых колес, вало-
проводов редукторов режущей части и т.п.
Научная новизна.
1. Разработана математическая модель передачи электрической
энергии от силового трансформатора через протяженную кабельную сеть
и совместного преобразования ее двумя асинхронными электродвигате
лями.
-
Произведена оценка влияния погрешностей из-за изменения переменных параметров электрических компонентов во времени на результаты моделирования режимов пуска и стопорения горных машин.
-
Произведен учет в интегрированной математической модели передачи и преобразования энергии влияния возможных пространственных (вибрационных) перемещений корпусов статоров исполнительных асинхронных электродвигателей на величины развиваемых ими электромагнитных моментов.
-
Установлена принципиальная невозможность использования в практике исследования режимов пуска и стопорения приведенных расчетных схем механических передаточных устройств приводов горных машин.
-
Разработаны алгоритмы определения переменных и постоянных параметров электродвигателей: обмоток роторов (активного и реактивного сопротивлений), индуктивного сопротивления цепи намагничивания, активного сопротивления обмотки статора, момента инерции ротора, а также характеристик АД.
-
Решена общая задача синтеза оптимального управления состоянием асинхронных электродвигателей в приводах горных машин.
.7. Разработаны алгоритмы построения вариантов оптимальных аналитических конструкций управляющих устройств электромеханическими системами горных машин при использовании АД в качестве формирователей силовых управляющих воздействий.
8. Разработаны варианты квазиоптимального управления динамическим состоянием приводов горных машин для режимов пуска и стопорения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: значительным объемом лабораторных и производственных экспериментов в лабораториях, на стендах и производственных условиях в объединениях "Кузбассуголь" (шахта им. СМ. Кирова, скребковый конвейер СП-63, выемочный комбайн КІШ КГ), "Кузбассразрезуголь" (разрез "Кедровский", экскаватор-драглайн ЭШ-10/70 №175), НИИ НПО Кузбассэлектромотор (двигатели серии ВРП); удовлетворительной сходимостью численных результатов аналитических исследований с результатами экспериментов (погрешность 3-5%); корректностью постановки задач и адекватностью используемого математического аппарата исследуемым процессам; внедрением разработанных методов в практику.
Методы исследований. При выполнении работы использовались математические и экспериментальные методы исследований. При решении вопросов моделирования динамических систем высокого порядка использовались численные методы решения дифференциальных уравнений, численные методы решения нелинейных алгебраических уравнений. При решении проблем определения параметров АД использовались методы конечно-разностной аппроксимации функций. При исследовании вопросов управления состоянием приводов ГМ, определении параметров АД использовались методы теории оптимального управления
(классическое вариационное исчисление, принцип максимума Л.С.Понтрягина, достаточные" условия абсолютного минимума В.Ф.Кротова). Обработка результатов экспериментальных исследований велась с привлечением аппарата математической статистики.
Личный вклад заключается в развитии научного направления, связанного с исследованием динамических явлений в электромеханических силовых элементах приводов ГМ, находящихся в предельных режимах работы. В рамках отдельных разделов диссертации личный вклад автора заключается: в разработке интегрированной математической модели передачи и электромеханического преобразования энергии силовыми электрическими и механическими компонентами многодвигательного привода горных машин, учитывающей возможность обмена энергией и условий ее передачи между компонентами, изменение параметров компонентов, возможность пространственного изменения положения привода; в разработке процедур определения наблюдаемых и ненаблюдаемых параметров асинхронных электродвигателей, определяющих динамическую нагруженность приводов ГМ в предельных режимах работы; в разработке аналитических конструкции управляющих устройств состоянием приводов горных машин; в определении характеристик динамических процессов в механических и электрических элементах привода ГМ, в выполнении вычислительной работы (разработке информационных технологий получения данных) по всем разделам работы, участием в выполнении экспериментальных исследований и проведении производственной проверки полученных результатов.
Практическое значение работы состоит;
-в разработке математических моделей и методов исследований, обеспечивающих на этапе проектирования повышение надежности горных машин за счет уточнения эксплуатационной нагруженностй элементов приводов;
-в разработке средств эффективного определения параметров электрических компонентов систем приводов (АД), что обеспечивает уточнение характера нагруженностй элементов приводов;
-в разработке практически реализуемых алгоритмов управления состоянием приводов в предельных режимах работы.
Практическая значимость работы подтверждается использованием ряда научных положений работы при проектировании и исследовании характеристик асинхронных электродвигателей для приводов горных машин в НИИ взрывозащищенных электрических машин, а также использованием их в учебном процессе КузГТУ (дисциплина
"Математические модели в расчетах на ЭВМ" для специальности 210500 "Электропривод и автоматизация промышленных установок").
Реализация результатов работы: Разработанные модели исследования систем приводов, методы назначения и практического определения параметров исполнительных электродвигателей горных машин используются НИИ взрывозащищенных электрических машин (НИИ НПО "Кузбассэлектромотор"), являющимся головной организацией по созданию взрывозащищенного электрооборудования для различных отраслей Российской Федерации (приказ №20 от 03.06.92 Департамента электротехнической промышленности Министерства промышленности РФ), при проектировании асинхронных электродвигателей для выемочных комбайнов и скребковых конвейеров.
Материал работы также используется в учебном процессе КузГТУ при проведении занятий по дисциплине "Математические модели в расчетах на ЭВМ" для специальности 210500 "Электропривод и автоматизация промышленных установок".
Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Современное взрыво-защищенное электрооборудование" (Донецк, 1975), ПІ Всесоюзной конференции "Проблемы тиристорного электропривода" (Свердловск, 1974), научно-технической конференции по автоматизации технологических процессов (Пермь,-1977), Всесоюзном научно-техническом совещании "Автоматизация проектирования в электромашиностроении" (Суздаль, 1989), VI научно-технической конференции "Повышение надежности и экономичности взрывозащищенного электрооборудования" (Кемерово, 1989), на научно-технических семинарах НИИ НПО "Кузбассэлектромотор", научных конференциях Кузбасского политехнического института.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, включая 1 монографию и 6 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов и заключения, изложенных на 270 страницах машинописного текста, содержит 135 рисунков, 8 таблиц, список литературы, включающий 230 наименований, приложения.
