Обоснование и выбор структур управления электроприводами исполнительных органов горных машин в энергосберегающих режимах Пейль Наталья Гаевна

Содержание к диссертации

2. Математическая модель электромеханической системы вращателя буровых станков 56

3. Математическая модель электромеханической системы вращателя, содержащей упругие связи 59

4. Электромеханические параметры электропривода вращателя....63

5. Принципы формирования структур управления электроприводами в резонансных управляемых режимах 66

2.2.1 Анализ резонансных режимов в одномассовой ЭМС с разомкнутым управлением 70

2.2.2 Анализ резонансных режимов в двухмассовой ЭМС с разомкнутой системой управления 72

5. Анализ влияния жёсткой обратной связи по скорости двигателя на параметры электромеханической системы в резонансных режимах 85

6. Анализ влияния жёсткой обратной связи по току двигателя на параметры электромеханической системы в резонансных режимах 89

4. Основные понятия и подходы к формированию концепции адаптивного управления 101

5. Разработка структуры ЭМС в управляемом резонансном режиме при совместном действии гибкой обратной связи по току и жёсткой обратной связи по скорости 104

6. Разработка рациональной структуры ЭМС в управляемом резонансном режиме при совместном действии гибкой и жёсткой обратных связей потоку 109

3.3.4 Разработка электрической схемы для выделения статического тока в электроприводе вращателя бурового станка 111

Глава 4 Имитационное моделирование и экспериментальные исследования электроприводов органов резания с оптимальной системой

1. Методика исследований режимов работы ЭМС вращателя бурового станка с помощью моделирования 120

2. Моделирование резонансных режимов в ЭМС при наличии гибкой обратной связи по току 123

3. Моделирование регулируемых резонансных режимов в одномас- совых ЭМС при совместном действии ГОСТ и ЖОСС 126

4. Моделирование регулируемых резонансных режимов в одномассо- вой ЭМС при совместном действии ГООСТ и ЖООСТ 129

5. Моделирование режима работы разомкнутой двухмассовой ЭМС с упругими связями 132

6. Моделирование резонансного режима работы двухмассовой ЭМС с гибкой обратной связью по току 134

7. Моделирование работы двухмассовой ЭМС с гибкой и жёсткой обратными связями по току в управляемом резонансном режиме 136

8. Моделирование работы двухмассовой ЭМС с гибкой обратной связью по току и жёсткой обратной связью по скорости в управляемом резонансном режиме 138

4.2 Сравнительный анализ резонансных режимов одно- и двухмассо- вых ЭМС при совместном действии гибкой и жёсткой обратных связей по

току 139

Приложение А Методика 173

Приложение Б Акт внедрения 179

Введение к работе

Актуальность работы. В последние годы энергосбережение является одним из приоритетных направлений технической политики во всех развитых странах мира. Это связано с ограниченностью всех основных энергоресурсов, с непрерывно возрастающими сложностями их добычи и соответственно стоимостью.

Известно, что при производстве горных работ доля затрат, связанных с энергопотреблением, составляет 30 -50 % в себестоимости продукции, отсюда следует, что реализация в горнодобывающей отрасли организационных и технических мероприятий по энергосбережению может привести к заметной экономии топливо - энергетических ресурсов.

В настоящее время на карьерах и разрезах до 70-80% объемов бурения выполняется шарошечными станками. Потери мощности в трансмиссиях главных механизмов современных буровых станков подчас достигают 2040% как для электроприводов постоянного тока, так и для объемных гидроприводов, выполненных по традиционной схеме.

Буровая штанга представляет собой систему с распределенными параметрами, которая является источником продольных и поперечных колебаний. Упругие усилия, возникающие при этом, для большинства машин и механизмов являются нежелательными, т.к. приводят к дополнительным динамическим нагрузкам. Для механизмов вращателей буровых станков эти упругие колебания желательно использовать как дополнительный источник механических воздействий, направленный на разрушение горных пород при бурении. Решение такой задачи позволяет сформировать энергосберегающую технологию, при которой потенциальная энергия в буровой штанге не рассеивается в элементах электромеханической системы, а направляется на разрушение горной массы при бурении.

Процесс резания и разрушения горного массива является одним из энергоемких технологических процессов горного производства. Исследования в области энергосбережения средствами электропривода для такого класса горных машин с органами резания практически отсутствуют.

Поэтому обоснование и выбор структур управления электроприводами рабочих органов, обеспечивающих снижение электропотребления горных машин, является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка метода регулируемого резонансного режима в электромеханической системе (ЭМС), математической модели ЭМС и установление аналитических зависимостей для обоснования и выбора структур управления электроприводами рабочих органов, обеспечивающих снижение электропотребления горных машин.

Идея работы состоит в структурно-параметрической оптимизации систем управления электроприводами рабочих органов горных машин по критерию минимума потребляемой мощности.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод регулируемого резонансного режима в электромеханической системе рабочих органов горных машин, отличающийся адаптивностью к частотам возмущения.

2. Математическая модель системы управления электроприводом рабочих органов горных машин, учитывающая влияние резонансного режима в электромеханической системе на минимальное потребление электроэнергии.

3. Аналитические зависимости показателей резонансного режима от параметров системы управления электроприводами рабочих органов горных машин.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным применением математических методов, теории автоматического управления, теории электропривода, теории колебаний, методов имитационного моделирования, сравнением результатов аналитических исследований и имитационных экспериментов с данными экспериментов, достаточной сходимостью результатов теоретических и

экспериментальных исследований, расхождение между которыми не превышает 15%.

Научная новизна полученных результатов исследования состоит:

в разработке метода регулируемого резонансного режима в электромеханической системе для анализа систем управления электроприводами рабочих органов горных машин;

в установлении закономерностей установившихся колебательных процессов в резонансном режиме, используемых для разработки структур управления электроприводами рабочих органов горных машин с минимальным потреблением энергии;

в установлении влияния параметров системы управления на показатели регулируемого резонансного режима.

Научное значение работы состоит в разработке метода регулируемого резонансного режима в электромеханических системах для анализа систем управления электроприводами рабочих органов горных машин, который развивает теорию автоматического управления электроприводами; разработке математической модели системы управления электроприводом рабочих органов горных машин в регулируемом резонансном режиме, которая развивает теорию электромеханических систем; установлении зависимостей показателей резонансного режима от параметров систем управления электроприводами рабочих органов горных машин.

Практическое значение работы заключается в разработке:

рекомендаций по выбору рациональной структуры системы управления электроприводом механизма вращателя бурового станка, оптимальной по критерию минимума потребляемой мощности, позволяющей повысить эффективность эксплуатации электрооборудования.

методики синтеза рациональной структуры управления электромеханическими системами рабочих органов горных машин, позволяющей сократить время проектирования и повысить эффективность наладочных работ.

Реализация результатов работы.

Рекомендации по выбору рациональной структуры управления электромеханическими системами по критерию минимума потребляемой мощности и методика синтеза рациональной структуры управления электромеханическими системами рабочих органов горных машин приняты к реализации в ОАО «Лебединский ГОК» (г. Губкин, Белгородская обл.).

Личный вклад автора.

Теоретические исследования электромеханических систем вращателя бурового станка с разомкнутой и замкнутой структурой управления в резонансных режимах.

Разработка модели рациональной системы управления электроприводом вращателя бурового станка с адаптивным регулированием резонансного режима с целью эффективного разрушения горной массы и минимального потребления электроэнергии.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы доклады-

«

вались и получили одобрение на научных симпозиумах МГГУ «Неделя горняка - 2005, 2006, 2007 » (Москва, 2005,2006, 2007); VII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», РГГРУ (Москва, 2005); V Me- _t ждународной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», РГГУ (Москва, 2006): на научных семинарах кафедры ЭЭГП МГГУ (2005-2007 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 77 наименований, включает в себя 63 рисунка и 4 таблицы.

!

1 Состояние вопроса и техническая направленность работ в области оптимального разрушения горного массива средствами регулируемого электропривода

1.1 Техническая направленность работ в области энергосберегающих технологий средствами регулируемого электропривода

В последние 10-15 лет энергосбережение стало одним из основных приоритетных направлении технической политики во всех развитых странах мира наряду с информатизацией и компьютеризацией. Это связано с ограниченностью всех основных энергоресурсов, с непрерывно возрастающими сложностями их добычи и соответственно стоимостью, с глобальными экологическими проблемами, обозначившимися в последнее время.

Потенциал экономии энергетических ресурсов в нашей стране в ближайшие годы может быть реализован по трем наиболее важным секторам экономики: топливно-энергетическому комплексу, жилищно-коммунальному хозяйству и энергоемким отраслям промышленности.

Энергосбережение в любой сфере сводится по существу к снижению бесполезных потерь энергии. Сегодня в России на единицу выпускаемой продукции расходуется в три раза больше энергетических ресурсов, чем в индустриально развитых странах мира, что делает нашу экономику неконкурентоспособной, как на мировом, так и на внутреннем рынках [76].

Поэтому снижение потерь энергии является актуальной задачей для любой отрасли народного хозяйства. Если принять во внимание, что при производстве горных работ доля затрат, связанных с энергоснабжением, составляет 30 -50 % в себестоимости продукции [76], то можно сделать вывод, что реализация в горнодобывающей отрасли организационных и технических мероприятий по энергосбережению может привести к заметной экономии топливо - энергетических ресурсов.

Анализ структуры потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что определяющая доля потерь - до 90% приходится на сферу энергопотребления, тогда как потери при передаче электроэнергии составляют лишь 9-10% [76]. Очевидно, что основные усилия по энергосбережению должны быть сконцентрированы именно в сфере потребления электроэнергии. Учитывая, что более 60% [76] всей вырабатываемой электроэнергии потребляют электроприводы, можно сделать вывод о высокой актуальности задач энергосбережения при проектировании, эксплуатации, а также модернизации систем электропривода.

По данным европейских экспертов, цена электроэнергии, потребляемой ежегодно средним двигателем в промышленности, в 5 раз превосходит цену двигателя [7]. Очевидно, что за время службы двигателя (10-20 лет) энергетическая составляющая в десятки раз превысит составляющую, связанную с капитальными затратами, в связи с чем забота об оптимизации именно энергетической составляющей является особенно важной.

Современный уровень развития силовой электроники, микропроцессорных систем управления и контроля, теории и средств автоматического регулирования позволяет широко использовать эти теоретические и технические достижения для решения задач энерго- и ресурсосбережения. Применение современных способов регулирования скорости технологических механизмов в сочетании с широкими возможностями автоматизации может обеспечить оптимальное использование энергетических и других природных ресурсов.

По данным экспертов Европейского Союза распределение электроприводов по мощности двигателей следующее: мощные двигатели (> 75 кВт), чаще других, оборудованные средствами регулирования, составляют лишь 23%о, основная же масса (77%) - это электроприводы малой (0,75 - 7,5 кВт) и средней (7,5 - 75 кВт) мощности - как правило, нерегулируемые, снабженные асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. В США около 90% всех электроприводов - нерегулируемые, и лишь 10% имеют другие технические решения, аналогичная ситуация существует и в нашей стране [6].

Сегодня электроприводы переменного тока постепенно вытесняют приводы постоянного тока, которые исторически доминировали в области регулируемого электропривода. Современные преобразователи частоты (ПЧ) обеспечивают качество регулирования скорости асинхронных двигателей, не уступающее приводам постоянного тока.

Появление на рынке надежных, качественных и сравнительно недорогих полупроводниковых преобразователей частоты (ППЧ) в сочетании со средствами автоматизации позволяет широко использовать эти технические достижения для решения задач энерго- и ресурсосбережения. Выполненные исследования позволяют наметить следующие основные направления снижения энергопотребления асинхронными электроприводами.

Первое направление связано со снижением потерь в электроприводе при выполнении им технологических операций по заданным тахограммам и с определенным режимом нагружения. В качестве примера можно привести электроприводы, работающие в пускотормозных (краны, лифты и т.д.) или длительных режимах (насосы, вентиляторы, компрессоры, транспортеры и т.д.). В таких электроприводах возможна значительная экономия электроэнергии [6,7].

Второе направление связано с изменением технологического процесса на основе перехода к более совершенным способам регулирования электропривода и параметров этого технологического процесса. При этом происходит снижение потребления электроэнергии электроприводом. В качестве примеров можно привести электроприводы турбомеханизмов (насосов, вентиляторов, турбокомпрессоров), поршневых насосов и компрессоров, транспортеров, систем регулирования соотношения топливо-воздух и т.п. [6,76]. Здесь решающее значение имеет переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому и повышение уровня автоматизации за счет включения в контур регулирования ряда технологических параметров (давления, расхода, температуры и т.д.).

При этом, как правило, эффект не ограничивается экономией электроэнергии в электроприводе, во многих случаях возможна экономия ресурсов (воды, твердого и жидкого топлива и т.д.).

Для обоих этих направлений характерным является то, что снижается потребление энергии именно в электроприводе, в первом случае за счет снижения потерь, во втором - за счет использования менее энергозатратного со стороны электропривода управления технологическим процессом.

Вместе с тем можно выделить еще и третье направление, обеспечивающее реализацию энергосберегающих технологий. Известно, что имеется целый ряд технологических процессов, где электропривод сравнительно небольшой мощности управляет потоком энергии, мощность которого на несколько порядков превышает мощность электропривода (дуговые сталеплавильные и вакуумные печи, рудовосстановительные печи, установки индукционного нагрева и т.д.) [76]. Очевидно, что от совершенства электропривода, его быстродействия и точности, степени автоматизации процесса во многом зависит эффективное использование таких значительных объемов энергии.

Одной из основных причин увеличения потребления электрической энергии в электроприводах является завышенная мощность электродвигателей, т.е. несоответствие их мощности потребностям технологического процесса. Завышение мощности электродвигателя приводит к снижению КПД.

При снижении нагрузки двигателя до 50% и менее его эффективность начинает быстро падать по причине того, что начинают преобладать потери в стали по сравнению с активными потерями и потерями от рассеивания, возрастает доля потребляемой реактивной составляющей по сравнению с активной и снижается cos (р [35].

Однако простой заменой двигателя добиться желаемого эффекта зачастую не удается. Достаточно эффективным средством является расширение «модельного ряда» электродвигателей. Так, в последние годы на Западе широко применяются энергетически эффективные электродвигатели, в которых используются более качественные электротехнические стали и медные обмотки, позволяющие на 2-5% уменьшить активные потери [35].

Использование асинхронных двигателей (АД) общепромышленного назначения в регулируемых электроприводах не может быть оптимальным с точки зрения энергетических показателей качества. Одним из перспективных способов совершенствования электропривода является проектирование и изготовление АД специально для конкретных условий эксплуатации, что благоприятно для обеспечения энергосбережения и дает наибольший экономический эффект. Следует отметить, что выпуск АД специально для регулируемого электропривода производят фирмы «Сименс» (Германия), «Atlans- Ge Motors» (США), «Lenze Bachofen» (Германия), «Leroy Somer» (Франция), «Мэйден» (Япония) [35]. В ближайшее время будет организован их выпуск и в нашей стране.

Для обеспечения эффективного энергосбережения при применении регулируемого электропривода с асинхронными двигателями возможны следующие способы: совершенствование АД без изменения поперечного сечения; совершенствование АД с изменением геометрии статора и ротора; выбор АД общепромышленного исполнения большей мощности. Каждый из этих способов имеет свои достоинства, недостатки и ограничения по применению, и выбор одного их них возможен только путем экономической оценки соответствующих вариантов.

Разработаны и созданы опытные образцы вентильно-индукторных машин, предназначенных для электроприводов различных механизмов, установок. Привода с вентильно-индукторными двигателями имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными электродвигателями и улучшенные массогаба- ритные и энергетические показатели. Благодаря наличию коммутирующих устройств в системе привода регулирование скорости осуществляется в широком диапазоне, а в области низких скоростей обеспечивается достаточно устойчивая работа вентильно-индукторного электродвигателя.

Для электроприводов, работающих большую часть времени на нагрузку, достигающую 30% и менее от номинальной мощности, эффективно применение частотных регуляторов оборотов электродвигателя.

Другой причиной увеличения потерь является несоответствие скорости вращения скорости, требуемой по технологии в заданный промежуток времени, что повсеместно наблюдается в нерегулируемых асинхронных электроприводах.

Известным способом решения указанной проблемы является применение регуляторов, осуществляющих снижение напряжения питания электродвигателя (по системе ТРН-АД). Это позволяет уменьшить напряженность магнитного поля, которая избыточна для конкретного режима нагрузки, снизить потери в стали, уменьшить их составляющую в потребляемой мощности и за счет этого повысить КПД двигателя. Сам регулятор напряжения (обычно в полупроводниковом исполнении) потребляет мало энергии.

Из множества областей, в которых имеется потенциальная возможность энергосбережения средствами электропривода, можно выделить наиболее важные и эффективные направления:

широкое внедрение частотно-регулируемых асинхронных электроприводов в системах водоснабжения, водоотведения, отопления и вентиляции для регулирования скорости вращения насосов, вентиляторов, нагнетателей, воздуходувок, компрессоров и т.п.;

применение регулируемого электропривода и средств автоматизации в электросталеплавильном производстве и других энергоемких процессах;

модернизация подъемно-транспортных механизмов (кранов, подъемников, лифтов) путем установки частотно-регулируемых электроприводов, в том числе с рекуперацией энергии в сеть, где это целесообразно; бурового оборудования (от насосного до спускоподъёмного);

применение в электроприводах переменного тока современных частотных преобразователей со встроенной функцией оптимизации энергопотребления;

объекты жилищно-коммунального хозяйства и промышленного комплекса, в задачу которых входит поддержание заданного уровня жидкости в резервуарах (водоразборные и очистные сооружения и др.).

Внедрение частотно-регулируемого электропривода имеет основные достоинства:

Энергосбережение, которое осуществляется за счет достижения соответствия потребляемой и требуемой мощностей путем регулирования скорости вращения электродвигателя. Опыт внедрения и эксплуатации показал, что расход электроэнергии уменьшается на 30-60%, а коэффициент мощности достигает величины 0,8-0,85, что значительно превышает коэффициент тиристорных электроприводов аналогичного назначения (0,7) [17].

Высокое качество электроэнергии, в частности за счет существенного (по сравнению с тиристорным) уменьшения высших гармоник тока и напряжения, резко ухудшающих функционирование электропотребителей.

Высокая надежность: наработка на отказ по данным эксплуатации составляет не менее 25000 часов, проектная долговечность - не менее 15 лет [6].

Широкие возможности интеграции в системы автоматизированного управления (АСУ ТП) за счет развитых средств коммуникации - дискретных и аналоговых входов/выходов, интерфейса связи с компьютером или управляющей системой.

Снижение эксплуатационных затрат за счет увеличения износостойкости оборудования, работающего значительную часть времени с пониженной скоростью вращения, «мягкий» запуск обеспечивает снижение пусковых токов.

Высокую эффективность внедрения частотно-регулируемого электропривода можно проиллюстрировать на примере использования его в насосных, вентиляторных, нагнетательных установках, потребляющих не менее 20-25% всей вырабатываемой электроэнергии. Регулирование производительности с помощью задвижек является крайне неэкономичным способом. Значительное снижение момента нагрузки при снижении скорости вращения приводного двигателя, характерное для рассматриваемых механизмов, обеспечивает существенную экономию электроэнергии (до 50%) при использовании регулируемого электропривода [6]. Кроме того, поддержание в системе минимально необходимого давления приводит к существенному уменьшению непроизводительного расхода транспортируемого продукта, снижению аварийности и увеличению срока службы гидравлических и пневматических сетей.

С 1994г. на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ проводились исследования частотно-регулируемого асинхронного электропривода (ЭП) насосов в системах водоснабжения зданий. На кафедре были разработаны современные устройства, изготовлены на опытном заводе МЭИ и установлены в ряде ЦТП жилых зданий Москвы.

Измерения, проведенные на городских насосных установках до установки нового оборудования и после, показали экономию электроэнергии до 50-60%, воды - до 20-25% и тепла в системе горячего водоснабжения - до 1015%. Срок окупаемости работ составил 6-8 месяцев [17].

Интересен опыт использования энергосберегающих технологий в электроприводе на Магнитогорском металлургическом комбинате.

Значительная экономия электроэнергии в металлургической отрасли получена от внедрения энергосберегающих режимов для механизмов вентиляторного типа - насосов, вентиляторов, компрессоров, на долю которых приходится до 30 % всей потребляемой электроэнергии в ОАО «ММК» [57].

В настоящее время большинство этих механизмов приводятся во вращение двигателями переменного тока и являются нерегулируемыми. Как показывают расчеты, в связи с отсутствием возможности регулирования частоты вращения на этих механизмах превышение потребляемой мощности составляет 40-50 % [57]. Имеющийся опыт регулирования приводов переменного тока позволил выделить три направления их использования:

Применение системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД) для регулирования производительности электроприводов с нагрузочной характеристикой вентиляторного типа.

Использование тиристорных регуляторов напряжения (ТРИ) и режима «мягкого пуска» для электроприводов насосов и вентиляторов с тяжелыми условиями пуска, для которых нет возможности выводить данные агрегаты из работы на время технологических перерывов.

Применение асинхронно-вентильных каскадов вместо реостатного регулирования скорости асинхронных двигателей с фазным ротором с целью возврата энергии скольжения в сеть.

В настоящее время на ряде механизмов внедрены так называемые «ступенчатые» преобразователи частоты, позволяющие реализовать ряд промежуточных частот вращения - 0,25; 0,5; 0,75 и 1 от номинальной скорости асинхронного двигателя. Достоинством ступенчатых ПЧ являются простота силовой схемы и системы управления [36].

Для реализации ступенчатого регулирования мощных механизмов вентиляторного типа, авторами предложен вариант применение высоковольтного НПЧ. Разработана система НПЧ-АД с программным формированием ступеней частот вращения для вентиляторных электроприводов на базе ТП постоянного тока [57]. Для перепрофилирования ТП на НПЧ с дискретным формированием ряда выходных частот, разработаны алгоритмы управления вентилями трех мостового НПЧ. Реализацию этих алгоритмов осуществляет микропроцессорное устройство управления, обеспечивающее устойчивую работу двигателя на указанных частотах вращения.

Все эти мероприятия позволили сэкономить потребление электроэнергии от 12 до 30% [57].

Наряду с названными направлениями ведутся разработки по энергосбережению в тиристорных электроприводах прокатных станов и синхронных электроприводах, работающих как со спокойной (вентиляторной), так и с резкопеременной нагрузкой (электроприводы черновых клетей, механизмов горнорудного производства и др.). Такие электроприводы являются наиболее энергоемкими электромеханическими системами.

Разработана и внедрена векторная система управления возбуждением синхронных двигателей (СД), которая обеспечивает устойчивый режим работы СД с cos

при изменениях момента нагрузки и напряжения СД в рабочем диапазоне, а также форсировку возбуждения при снижении напряжения ниже допустимого. Эффект от внедрения, который оценивался по снижению потерь в СД и питающей сети, составляет не менее 1 млн. кВт*ч/год [36].

Большинство мощных тиристорных электроприводов прокатных станов выполняются с двухзонным регулированием скорости. В ОАО «ММК» предложена новая концепция построения систем двухзонного регулирования скорости (с улучшенными энергетическими показателями), в основу которой положен принцип перераспределения запаса выпрямленной ЭДС в установившемся и динамических режимах, связанных с изменением нагрузки электропривода [18].

С целью ограничения величины запаса в динамическом режиме разгона при наличии металла в валках (т.е. при относительно плавном увеличении тока нагрузки) разработаны способ и система двухзонного зависимого регулирования скорости в функции выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. При этом задающее воздействие на регулятор внешнего контура в цепи возбуждения формируется пропорционально номинальной выпрямленной ЭДСТП [18].

Запас выпрямленной ЭДС выбирается исходя из условия обеспечения устойчивой работы ЭП при максимальной нагрузке электропривода и при максимальных отклонениях напряжения питающей сети, и составляет 15-18% ЭДС ТП при нулевом угле управления [18].

Широкий класс машин и механизмов, типичными представителями которых являются карьерные экскаваторы (драглайны и механические лопаты), работает в интенсивных динамических режимах, а также при наличии активной нагрузки. Этим условиям хорошо соответствует электропривод по системе «Непосредственный преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (НПЧ-АД) за счет потенциально высоких динамических свойств АД и способности НПЧ свободно обмениваться энергией с питающей сетью, чем обеспечивается естественное рекуперативное торможение любой степени интенсивности. Кроме того, данный привод весьма экономичен за счет однократного преобразования электрической энергии в НПЧ.

Экскаваторный электропривод до сих пор остается той областью автоматизированного электропривода, в которой привод переменного тока не получил широкого применения, хотя работы в этом направлении активно ведутся последние два десятилетия как у нас в стране, так и за рубежом. Базовой системой экскаваторного электропривода все еще остается система постоянного тока генератор-двигатель (Г-Д). Замена многомашинного электро- ' механического преобразовательного агрегата статическими ПЧ, работающими на асинхронные двигатели, позволит увеличить КПД системы электро- -i привода и улучшит эксплуатационные показатели, что в целом должно обеспечить экономический эффект.

На кафедре АЭП МЭИ за основу исследований и разработок экскаваторного электропривода принята система непосредственный преобразователь частоты - асинхронный двигатель (НПЧ-АД). Силовая часть НПЧ строится по модульному принципу на базе унифицированных модульных тиристор- ных преобразователей в экскаваторном исполнении серии ПТЭМ-2Р [21].

Электроприводы переменного тока для главных механизмов одноковшовых экскаваторов в связи с жесткими требованиями к их статическим и динамическим характеристикам должны иметь регулировочные свойства на уровне электроприводов постоянного тока системы ТП-Д. Формирование экскаваторной механической характеристики (MX) и требуемых динамических показателей в системе электропривода НПЧ-АД достигается применением системы частотно-токового управления (ЧТУ) по абсолютному скольжению.

Американская фирма «Bucyrus-Erie» выпустила первые экскаваторы с асинхронными частотно управляемыми приводами, а у нас в стране был выпущен один экскаватор-драглайн ЭШ-20/90 с системой НПЧ-АД. Опыт эксплуатации подтвердил их перспективность и экономический эффект [21].

Электропривод НПЧ-АД является существенно нелинейной дискретно- аналоговой системой. Полноценный анализ электромагнитных процессов в таком электроприводе с учетом определяющих его особенностей, а также оптимальный синтез контуров регулирования электромагнитных переменных возможны только средствами компьютерного моделирования. В ООО «Энерго П» (Москва) создана универсальная программная система для исследования и проектирования электроприводов с НПЧ [21]. Она позволяет производить анализ систем электроприводов с любой конфигурацией НПЧ, со всеми видами электрических машин, с произвольными механической частью и системой управления. Программная система использована при проектировании < динамичных приводов НПЧ-АД для механизмов горных машин

Основным и, пожалуй, единственным серьезным недостатком НПЧ является потребление из сети реактивной мощности, изменяющейся в широком диапазоне в зависимости от режима и подверженной существенной модуляции.

Для некоторых схем НПЧ-АД удалось синтезировать законы управления, существенно снижающие величину и диапазон изменения потребляемой из сети реактивной мощности, и с применением нерегулируемых фильтро- компенсирующих устройств (ФКУ) получить НПЧ, потребляющий из сети энергию с коэффициентом мощности, близким к единице [40].

В электротехнических комплексах с тиристорными электроприводами постоянного тока, где мощность электроприводов соизмерима с мощностью

источников электроэнергии, возникают следующие проблемы: увеличение потребления реактивной мощности, снижение напряжения питания, повышение содержания высших гармоник в напряжении сети. Эти явления, в свою очередь, отрицательно влияют как на характеристики самих электроприводов, так и на условия работы другого электрического оборудования. Наиболее типичными объектами применения рассматриваемого класса электротехнических комплексов являются буровые установки (БУ) и горные экскаваторы. Для обеспечения работоспособности БУ при питании от длинных линий поддержание напряжения на вводе в допустимых пределах является жизненно важным фактором. В настоящее время разработаны фильтро- компенсирующие устройства (ФКУ) с непрерывным «косвенным» регулированием, содержащие постоянно включенную фильтро-конденсаторную группу (ФКГ) и тиристорно-реакторную регулирующую группу (ТРГ) [40]. При этом ФКУ в целом обеспечивает регулирование суммарной реактивной мощности по принятому закону, причем регулирование осуществляется с высоким быстродействием. В настоящее время подобные системы созданы для буровой установки БУ-3900 ЭКБМЦ и модернизированного экскаватора ЭКГ-20А [40].

Разработано ФКУ с непрерывным «косвенным» регулированием, представляющее собой достаточно мощное средство повышения энергетических показателей тиристорных электроприводов постоянного тока и обеспечения их работоспособности при питании от источников соизмеримой мощности [40].

Испытания и промышленная эксплуатация ФКУ на нескольких буровых установках и экскаваторах показали их положительные качества и подтвердили адекватность результатов, полученных на электронной модели. Благодаря применению ФКУ обеспечивается работа буровых установок при длине линии до 11-12км [40], что без ФКУ практически невозможно. Кроме этого, компенсирующее действие ФКУ существенно снижает мощность потерь в линии.

Применение ФКУ с непрерывным регулированием в экскаваторном электроприводе позволяет значительно повысить энергетические показатели, а тем самым улучшить условия работы и электроприводов, и системы электроснабжения.

Донбасским государственным техническим университетом совместно с Институтом электродинамики АН Украины разработана система токопара- метрический асинхронно-вентильный каскад (ТПАВК). Основное ее отличие от традиционной схемы АВК - более высокая надежность, что является главным фактором при реконструкции шахтного оборудования.

Электропривод переменного тока по системе токопараметрический асинхронно-вентильный каскад предназначен для реконструкции подъемных установок, магистральных ленточных конвейеров и др. оборудования угольных шахт, требующего по технологии работы плавного пуска и регулирования скорости. Электропривод может применяться также и в других отраслях промышленности.

Высокая надежность электропривода по системе ТПАВК обеспечивается за счет работы приводного электродвигателя в режиме машины двойного питания, когда статор получает питание от регулируемого источника напряжения, а ротор - от нерегулируемого источника тока. Ввиду наличия в цепи ротора источника тока, автоматически формируется упорная механическая характеристика электропривода, защищающая как механическое оборудование, так и электродвигатель от перегрузок.

В электроприводе параметрическим способом (без применения обратных связей и оптимизирующих регуляторов) стабилизируется пусковой электромагнитный момент, что положительно влияет на срок службы, например канатов, зубчатых колес в редукторах, конвейерной ленты и др. механического оборудования. В электроприводе по системе ТПАВК, аналогично, как и с традиционным типом АВК, обеспечивается достаточная экономия электрической энергии. Регулирующие свойства электропривода сравнимы с электроприводом постоянного тока.

Серийный выпуск преобразователя для электропривода по системе ТПАВ предполагает освоить российско-украинская электротехническая корпорация "Триол".

Другим классом рабочих машин, где широко используют регулируемый электропривод, являются буровые установки, применяемые на открытых карьерах, нефтяных и газовых промыслах для разведочного и эксплуатационного бурения. Бурение представляет собой трудоёмкий и дорогостоящий процесс. Стоимость производства буровых работ в крепких породах на открытых разработках достигает 36% общей стоимости выемки 1т горной массы [74]. Электропривод главных механизмов буровых установок (БУ) является важнейшей составной частью буровых установок, что во многом определяет технические показатели БУ в целом. К главным механизмам БУ относятся: буровые насосы, спускоподъемный агрегат (СПА), ротор, регулятор подачи долота. Применение регулируемого электропривода в этих механизмах позволяет решить следующие задачи: сокращение энергетических затрат; наилучшее использование установленной мощности; работа в оптимальных режимах для каждого интервала бурения; уменьшение числа рейсов в связи с увеличением средней проходки на долото; повышение механической и рейсовой скорости бурения; повышение производительности спускоподъемных операций; сокращение числа механических трансмиссий; ограничение напряжений в трубах и защита их от поломок; повышение надежности механического оборудования.

При некоторых неизменных геолого-технических условиях бурения для обеспечения оптимальных режимов работы долота и промывки скважины, существует оптимальная величина подачи промывочной жидкости, причем при уменьшении подачи существенно ухудшаются показатели бурения, а при увеличении подачи технические показатели бурения улучшаются несущественно, однако значительно увеличиваются энергозатраты (в третьей степени от величины подачи). Применение регулируемого электропривода насоса позволяет реализовать оптимальный режим подачи жидкости при переменных условиях и тем самым обеспечить минимальное потребление электроэнергии. Регулируемый электропривод позволяет наиболее полно использовать мощность бурового насоса, что в целом улучшает показатели бурения [74].

Электропривод спускоподъемного агрегата работает в повторно- кратковременном режиме, что с точки зрения энергопотребления требует регулирование скорости.

Регулируемый вентильный электропривод постоянного тока по своим стоимостным и технико-экономическим показателям до настоящего времени был более выгоден по сравнению с частотно-регулируемым электроприводом. Внедрение частотно-регулируемого электропривода в БУ требует специального исполнения преобразователей частоты, причём сравнительно большой мощности, для тяжелых условий эксплуатации. Однако в связи с техническим развитием преобразователей частоты в настоящее время начаты разработки систем частотно-регулируемого электропривода для БУ. Учитывая технологические особенности БУ, представляется, что частотно- регулируемый электропривод главных механизмов установок должен разрабатываться как единая система, имеющая общий выпрямитель и индивидуальные инверторы для каждого двигателя, только тогда может быть достигнута существенная экономия в количестве и мощности преобразовательного оборудования [34].

Несмотря на известные преимущества [74],буровые станки с плавноре- гулируемым ЭП не нашли пока столь широкого применения, как буровые установки.

Главным электроприводом бурового станка является привод вращателя. Типы приводов, применяемых на станках для вращателей: асинхронный нерегулируемый или ступенчато регулируемый, регулируемый постоянного тока.

Для нерегулируемого и ступенчато регулируемого привода существенным недостатком является невозможность обеспечения оптимального режима при бурении пород с переменной крепостью.

В качестве же регулируемого электропривода на буровых станках в настоящее время применяется тиристорный электропривод постоянного тока по системе ТП - Д.

Регулируемый электропривод является основой автоматизации буровых работ. Широкий диапазон и плавность регулирования скорости позволяют обеспечить оптимальное по энергозатратам управление процессом бурения.

В работе [77] описана методика решения задачи оптимизации процесса проводки глубинных нефтяных и газовых скважин.

Наиболее важным результатом проведенных авторами исследований является установление факта существования зон различной динамики бурильной колонны, на которые разбивается область управления режимными параметрами. Этот факт определяет выбор параметров оптимального режима бурения.

Задача состоит в определении сочетания осевой нагрузки на долото и- скорости вращения ротора таким образом, чтобы время бурения заданного интервала было минимальным при условии минимума энергетических затрат. При этом, в общем случае, разрушаемая горная порода может быть трещиноватой и содержать различные включения, что вызывает неоднородность различных частей забоя по механическим свойствам.

Из всего множества стратегий бурения необходимо выбрать стратегию, отвечающую минимуму времени бурения заданного интервала при условии минимума энергетических затрат.

Очевидно, что энергия, подводимая к бурильной колонне, расходуется не только на сопротивление вращению колонны в скважине, разрушение породы на забое, вынос шлама на дневную поверхность и т.д., но и на поддержание интенсивных колебаний, что может негативно влиять на механическую скорость бурения, так и на срок службы инструмента. По мнению авторов, если свести к минимуму вероятность возникновения этих колебаний в процессе проводки скважины, то тем самым можно существенно уменьшить паразитные потери и увеличить эффективность процесса бурения.

Решение этой задачи сводится к расчёту параметров для выбора стратегии безвибрационного бурения (СБЕ), что существенно уменьшит потери.

Повышение экономической эффективности ряда поисковых, разведочных и вспомогательных буровых работ может быть достигнуто применением буровых снарядов на грузонесущем кабеле. Буровые установки при этом обладают высокой мобильностью, малой металлоёмкостью и не требуют применения наземных систем циркуляции промывочных жидкостей. В работах [58,75] авторами рассматривается анализ работы и пути совершенствования электромеханического бурового снаряда на грузонесущем кабеле с возвратно-вращательным движением рабочего органа.

В работе [58] автором рассматривается разработка резонансного асинхронного электромеханического преобразователя возвратно-вращательного движения для привода породоразрушающего инструмента динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле. Анализ пока-;, зывает, что применение резонансного режима, значительно повышает эффективность бурения и значительно снижает энергозатраты.

При выполнении конкретных проектов выявляется, как правило, не один, а несколько возможных путей энергосбережения. Поэтому для получения максимального эффекта необходим комплексный подход к решению задачи энергосбережения в электроприводе [17].

1.2 Анализ работ в области оптимального разрушения горного массива

Основное требование, предъявляемое к горным машинам, - это эффективное разрушение горной породы с меньшим расходом энергии и с высокой производительностью. Исследования в области оптимального разрушения (резания) горного массива занимают значительное место при разработке научных направлений по повышения производительности горных работ.

Разрушение горных пород может осуществляться следующими способами:

механическим;

гидравлическим;

взрывным.

Применяют и комбинированные способы разрушения.

Наибольшее распространение получил механический способ разрушения породы - до 85% всего объёма горных и земляных работ [33].

Механический способ разрушения прочных пород при малой (до 5 м/с) скорости силового воздействия называется статическим, тогда как вибрационное, ударное, высокоскоростное и импульсное разрушение - динамическим.

Горные породы как объекты разрушения характеризуются сложным- составом и весьма значительным непостоянством свойств. По этой причине для оценки характера поведения горных пород в процессе разрушения ис-, пользуются интегральные показатели.

Большое значение для характеристики процессов разрушения их инструментами имеют такие показатели как коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьякова, коэффициент сопротивления резанию, коэффициенты трения скольжения и качения, абразивность горных пород [34].

Производительность горных машин, их износ, расход энергии, качество и стоимость добываемой продукции зависят в большой степени от состояния инструментов.

Горные инструменты работают в тяжёлых условиях: переменные по характеру нагрузки с пиками 5...8 и большей кратности относительно средних; изменчивые свойства разрушаемых пород; повышенные температуры и др. Повышение производительности и мощности горных машин приводит к

увеличению нагрузок, что отрицательно сказывается на прочности и стойкости инструментов [34].

Поэтому при оценке работы горной машины необходимо учитывать износостойкость инструмента и удельный расход инструмента в штуках на единицу добытой горной породы.

При создании совершенных приводов горных машин необходимо решать сложные задачи динамики структурного и параметрического синтеза, добиваясь оптимальности системы. Обычно решение вопросов оптимизации динамических систем приводов горных машин требует учитывать целый ряд ограничений и основную особенность - случайный характер внешних воздействий.

В работе [39] рассмотрены вопросы совершенствования приводов выемочных и проходческих машин путём решения достаточно сложных задач динамики, а именно: параметрический и структурный синтез оптимальной конструкции, оптимальное управление.

Оптимизация привода, в основном, направлена на снижение его динамической нагруженное в различных режимах эксплуатации. В связи с этим критериями оценки являются действующие в элементах привода нагрузки, коэффициент динамичности, коэффициент вариации, коэффициент трансформации (отношение нагрузок в приводе и нагрузок на исполнительном органе) и т. д. [39].

Улучшение показателей машины можно достигнуть одновремённо с варьированием динамических параметров и изменением структуры и уровня входных нагрузок. Ввиду того, что значительная доля внешних нагрузок формируется на исполнительных органах, то это улучшение достигается изменением конструкции и параметров последних, а также разработкой соответствующих систем управления.

В этой же работе рассматриваются вопросы выбора и формализация критериев при разработке систем управления, зависящих от координат объекта (горной машины), возмущающих и управляющих воздействий.

Критерий оптимальности сформулирован следующим образом: система автоматического регулирования нагрузки привода резания должна не только обладать высоким качеством переходного процесса, но и быть инвариантной по своим динамическим свойствам к изменениям параметров объекта.

Производительность очистного комбайна можно повысить за счёт снижения дисперсии той части спектра нагрузок, которые обусловлены неравномерным перемещением машины вдоль забоя. Неравномерность скорости подачи вызывает изменение нагрузок в приводе резания со средним коэффициентом вариации 0,19. Подавление колебаний скорости подачи позволяет увеличить производительность и долговечность очистных комбайнов, улучшить условия труда и повысить безопасность труда.

Развитие горной промышленности происходит в значительной степени на основе внедрения открытых горных разработок. Затраты на буровые работы составляют до 30% всех затрат, необходимых для добычи 1т полезного ископаемого [8]. Из различных способов проходки скважин широкое распространение в нашей стране, а также за рубежом получил способ проходки с помощью станков шарошечного бурения. В нашей стране этим способом выполняется до 80% буровых работ [8].

Буровой станок работает в условиях высокой неопределённости внешних условий, вызванных чередованием горных пород различной крепости, абразивности и трещиноватости, износа шарошечных долот, удаление буровой мелочи из скважины при её продувке от компрессора и других факторов. Сложность решения задачи автоматизации процесса бурения объясняется также недостатком изученности физических процессов разрушения горных пород при шарошечном бурении. Поэтому, несмотря на значительное число предложенных принципов, и алгоритмов управления процессом шарошечного бурения, задача создания высокоэффективной системы автоматизации бурового станка окончательно не решена, что определяет актуальность этой проблемы.

При разработке системы управления бурового станка необходимо решить проблему выбора оптимальных режимов бурения.

Проблема выбора оптимальных режимов бурения относится к задачам статической оптимизации [17] и заключается в следующем: необходимо выбрать совместные с ограничениями значения управляющих воздействий, доставляющие экстремум (максимум или минимум) некоторой переменой, принятой за критерий оптимальности, т.е. обеспечить

у, =p(u„u₂,...,u_n)->extr

при ограничениях в виде принадлежности множеству или области допустимых значений:

м, е /,,/ = 1,2,...,и, где у, - просто многомерная функция.

Задача выбора ограничений является одной из самых важных, часто определяющей успех оптимизации. На линиях, плоскостях и гиперплоскостях ограничений можно формировать условные и безусловные экстремумы. Существующее положение в оптимизации бурения характеризуется слабой разработкой вопросов формирования ограничений.

Часто один критерий не обеспечивает оптимальности по другим критериям. Тогда может быть поставлена задача векторной, т.е. многокритериальной, оптимизации.

Значения u_]0, u_2o,..., u_n0управляющих воздействий, доставляющие экстремум, называются оптимальными. Наличие неконтролируемых возмущений приводит к постановке задачи: важно не только обеспечить попадание в оптимум, т.е. определить u_]0, U2₀,.--> u_no, но и отслеживать все их изменения при случайном дрейфе экстремума критерия оптимальности.

Наиболее общим критерием оптимальности является экономический эффект, максимум которого надо достигнуть. При этом важными обобщающими критериями признаются себестоимость 1м бурения и производительность в смену.

Один из частных энергетических критериев характеризует расход электроэнергии на 1м бурения (удельные энергозатраты), минимум которого может обеспечить оптимальные режимы бурения [49].

В качестве частных технологических критериев используется механическая скорость бурения V_m или скорость подачи V_n .При прямой оптимизации определяется и поддерживается максимум скорости бурения как функция одной или многих переменных, но в этом качестве критерий обладает рядом существенных недостатков. В частности, максимум скорости бурения может нести к интенсивному износу бурильного наконечника, снижению сменной производительности и повышению себестоимости 1м скважины.

При косвенной оптимизации скорость бурения является измеряемой величиной, позволяющей замкнуть систему управления, обеспечить её устойчивое и нормальнее функционирование. Оптимальность обеспечивается путем использования априорно выявляемой связи между технологическими параметрами бурения, скоростью бурения и себестоимостью! м скважины или путем специально организованного поиска. В этой роли скорость бурения используется в большинстве систем.

В работе [10] подробно рассматриваются комбинированные критерии качества процесса бурения. Наиболее приемлемыми считаются стоимостные критерии качества - С - критерии.

С - критерий тесно связан с энергетикой и отражает энергетические характеристики процесса бурения, которые в основном определяют положение точки минимума себестоимости в пространстве параметров режима бурения. С - критерий можно считать основным критерием эффективности.

Важные исследования в области проблем статической оптимизации процессов бурения в условиях помех проведены в работах [70,72,73].

Под динамической оптимизацией понимаются задачи оптимальных законов управления переходными процессами в объектах, возникающими при подаче на входы задающих или управляющих воздействий и т. п. Особыми видами переходного процесса можно считать развитие резонансных колебаний и процесс проводки скважин по глубине. Динамика объекта сложна и во многом уникальна, что обусловлено нелинейными, упругими и нестационарными его свойствами. Поэтому задачи динамической оптимизации бурового станка остаются практически не решёнными. Отдельным вопросам динамики посвящены работы [19, 53,60].

В работе [56] рассматриваются принципы выбора оптимального режима бурения в системах автоматического регулирования и управления.

Принципы управления и оптимизации САУ буровых станков можно разделить на три группы:

принципы, основанные на использовании априорной (исходной) модели бурения;

принципы, основанные на априорной модели и активном поиске оптимума по отдельным технологическим параметрам бурения;

принципы, использующие активный поиск оптимума.

1. Принцип управления режимами бурения на основе исходной модели бурения.

Этот принцип основан на том допущении, что вид модели бурения остаётся неизменным на всём протяжении, а изменяются лишь её параметры.

К нему относится в основном регулирование в функции крепости пород. При этом изменяются осевая нагрузка и скорость вращателя по следующему правилу: осевую нагрузку устанавливают обратно пропорционально скорости бурения, а частоту бурения - обратно пропорционально осевой нагрузке. Задача решается изменением первичных настроек управляющей системы оператором в соответствии с технологической картой оптимальных режимов бурения.

2. Принципы управления режимами бурения на основе исходной модели и поиска.

Группа принципов использует не только априорную модель бурения, но элементы активного поиска двух типов.

Поиск методом стандартных проб или метод статической идентификации. Путём статического анализа выявляется зависимость между крепостью породы и скоростью бурения, строится график - идентифицирующая кривая. По заранее определённым функциям F(V_m, G, п) определяется группа породы, и вводятся оптимальные параметры бурения. Это позволяет не выполнять пробную процедуру.

Экстремальный поиск по технологическому параметру бурения. Используются априорная модель бурения для реализации некоторой оптимальной функциональной зависимости между параметрами бурения и специальный поиск частного экстремума скорости бурения, удельных энергозатрат или условного износа долота.

Дальнейшее совершенствование этих принципов должно включать использование методов адаптации, позволяющих автоматически находить оптимальные кривые.

3) Принципы управления режимами бурения на основе поиска.

Принципы этой группы можно разделить на две подгруппы.

Принципы прямой оптимизации. Суть этих принципов заключается в поиске естественного экстремума скорости бурения, удельных энергозатрат и других параметров бурения в области допустимых значений технологических параметров бурения (ТБП) с применением известных методов многоканального экстремального поиска.

Принципы косвенной оптимизации. Эти принципы отличаются тем, что ищется искусственный или условный экстремум измеряемого показателя бурения, совпадающий с заданной точностью с естественным экстремумом неизмеряемого показателя бурения, обычно представляющего собой обобщающий критерий типа себестоимости, энергозатрат, производительности, качества.

Наиболее важным достоинством этих принципов является их универсальность, применимость для различных станков и способов бурения. Среди главных недостатков следует отметить потери на поиск, уход к ограничениям в случае отсутствия экстремума. Однако эти принципы позволяют оптимизировать различные виды бурения по разным критериям оптимальности и в этом отношении превосходят другие принципы.

Существуют и некоторые другие принципы управления буровыми работами.

Беспоисковые принципы экстремальной настройки. Известны подходы, позволяющие определять экстремумы критериев оптимальности без поиска на объекте: дифференциальные принципы настройки, применение эталонных моделей, использование корреляторов, самонастраивающихся моделей, аналитических и методов самонастройки, систем с идентификатором и обучением и т. д. [2,5,8,23,55,70,77]. Внедрение большинства из этих методов тесно связано с развитием ЭВМ и, в частности, с микропроцессорной техникой.

Двухмерная модель С - критерия для шарошечного бурения рассмотрена в [14]. Модель представлена в виде семейства кривых, связанных с кривыми, зависящими от крепости породы f: р со = F(f).

Минимальные значения С - критерия для разных горных пород лежат на линии, которая является оптимальной траекторией регулирования параметров режима рц со при изменении крепости горной породы. Регулирование режима бурения возможно только в области, ограниченной предельными значениями мощности N, крутящего момента Ми вибраций.

Управление режимами бурения по параметрам вибрации. Управление шарошечными станками с использованием параметров вибрации вызывает огромный интерес исследователей [12,13,24,59,77]. В первой обстоятельной работе [59] отмечалось большое значение исследований параметров вибрации для оптимизации режимов бурения и для создания самонастраивающихся систем. В работе [24] предложен принцип управления шарошечными станками, заключающийся в создании максимального давления на долото р и регулировании частоты вращения ю по уровню вибрации: если последний превышает заданный предел, то даётся команда на снижение (о.

На основе этого метода разработаны специальные системы управления и защиты, которые обеспечивают работу буровых станков с допустимыми вибрационными нагрузками.

Принципы программного управления режимами бурения. В задачах управления режимами бурения программное управление может играть большую роль для учёта переменных параметров, коррекции на этой основе выбираемых режимов бурения и ограничений, накладываемых на ТПБ. В программных системах заданы зависимости режимных и выходных параметров. Возможности применения программного управления непосредственно для выбора режимов бурения несколько ограничены, т. к. трудно предсказать чередование пород.

Принципы одпоканального управления. Одноканальное управление применяется в случаях, когда имеется возможность воздействовать только на один из параметров режима бурения. Оптимизация одного ТПБ значительно недоиспользует возможности бурового станка.

Основным недостатком предлагаемых технических решений является отсутствие работоспособных забойных датчиков контролируемых параметров, поэтому надо стремиться к минимально необходимому количеству информации, позволяющему выбирать оптимальное решение. Альтернативой недостатка забойных датчиков при бурении является извлечение полезной информации из поверхностных датчиков. Если техническая реализация того или иного показателя практически невозможна, необходимо использовать косвенные критерии - потребляемую мощность, момент вращения бурового става, статический ток двигателя и т. п.

Следует также отметить, что проводимые исследования не учитывают динамических характеристик электромеханической системы (ЭМС) приводов бурового станка и, в частности, влияние упругих свойств бурового става как системы с распределёнными параметрами. Вследствие этого, несмотря на значительное количество технических разработок, на практике до сих пор отсутствуют серийные средства автоматизации процесса бурения шарошечных станков.

В настоящей работе рассматриваются вопросы разработки оптимальной системы управления разрушением горных пород при регулируемых резонансных режимах.

1.3 Состояние вопроса использования резонансных явлений в технологиях разрушения горных пород

Теоретические работы в области применения резонансных явлений при работе горных машин проводились ещё в 50 - 60-е годы. Группой петербургских учёных (И.И. Блехман, Г.Ю. Джанелидзе и др.), а также учёными Института горного дела им. Скочинского были достигнуты определённые результаты в исследовании работ вибрационных машин резонансного типа [II].

Первые материалы о возможности применения вибрационного погружения в грунт различных тел относятся к середине 30-х годов (Д.Д. Баркан, Ю.Я. Штаерман, К.Н. Добровольский). Широкое промышленное применение этот метод получил вначале в гидротехническом строительстве [11].

В связи с интенсификацией работ на открытых горных разработках большое внимание стало уделяться новым принципам и видам разрушения горных пород. К ним принадлежит разрушение горных пород с помощью виброударного клинового механизма.

Стремление увеличить скорость и предельную глубину погружения конструкций в грунт привело к появлению вибрационных механизмов с негармоническим характером возмущающего усилия, в частном случае виброударных. Виброударные механизмы сразу же нашли применение в вибропогружении, вибробурении, забивке и выемке обсадных труб при бурении, виброобрушении и т.п.

Вибрационные машины резонансного типа позволили реализовать высокоинтенсивные режимы, недоступные обычным вибрационным машинам

(интенсивность режима определяется амплитудным значением ускорения рабочего органа). Однако при их проектировании, изготовлении и наладке возникли значительные затруднения, вызванные в первую очередь тем, что вибрационные машины резонансного типа проектировались как линейные системы, поэтому диапазон рабочих частот был очень узкий и не удовлетворял условиям стабильности рабочих режимов. Вследствие этого область применения вибрационных машин резонансного типа была очень ограничена.

Переломным моментом было искусственное введение нелинейностей в характеристики упругих связей вибрационных машин резонансного типа. Наличие нелинейностей привело к резкому расширению области резонансных частот и повышению стабильности рабочих режимов. Позднее было установлено, что нелинейность системы коренным образом меняет характер протекающего технологического процесса вследствие появляющихся в законе движения рабочего органа субгармоник.

Дальнейшие исследования динамики упругой системы самой машины и её взаимодействие с приводом привели к следующим выводам.

Так как привод и упругая система машины оказывают взаимное влияние друг на друга, возникает возможность задать режим работы машины пу- 5 тём изменения электрических параметров привода, которые обычно регулируются легче, чем механические параметры. Это позволяет вводить нелинейные элементы в электрические цепи, а не в упругую систему. Таким образом, появляется возможность получения заданных легко регулируемых режимов работы вибрационных машин и создания автоколебательных систем с обратной связью, осуществляемой в электрической цепи, стабильно работающих в широких диапазонах изменения рабочих режимов. Такие системы должны обладать неоспоримыми преимуществами перед обычными конструкциями вибрационных машин резонансного типа.

Несмотря на значительный объём проведённых исследований, вопросы синтеза виброударных механизмов не доведены до достаточного уровня практических рекомендаций. Уточнённая постановка задачи затруднена главным образом из-за отсутствия полной определённости знаний о вибрационном и ударном разрушении горных пород. Функции сопротивления внедрению и разрушению зависят от большого количества причин, в том числе от формы и размеров внедряемого тела, параметров вибрации, характеристик грунтов и от целого ряда физико-химических процессов, происходящих в таком анизотропном, реологичном и дисперсном теле, как грунт.

Тем не менее, надо отметить, что уже в те годы были даны рекомендации изучать резонансные режимы работы механизмов, так как в них заложены наибольшие резервы повышения производительности. Необходимо создавать приводы, способные устойчиво и длительно удерживать колебательные системы в резонансе.

Совершенно в другом аспекте представлены резонансные явления при проходке вертикальных скважин в работе [77]. Описанная в ней методика сводится к решению задачи оптимизации процесса проводки глубинных нефтяных и газовых скважин.

Область управления режимными параметрами разбивается на зоны различной динамики бурильной колонны.

Пусть необходимо пробурить интервал горной породы начиная с глуби- ? ны HI и кончая глубиной Н2. Далее, пусть скорость вращения ротора п₀ имеет пределы изменения [пь п₂], а максимальное значение осевой нагрузки на долото не должно превышать величины Р₀ = Ротах⁼ Рг (минимальное значение Р2 = Pomin ⁼ 0). Задача формулируется следующим образом: требуется определить сочетание Р₀ и п₀ таким образом, чтобы время бурения заданного интервала было минимальным при условии минимума энергетических затрат. При этом, в общем случае, разрушаемая горная порода неоднородна.

На рисунке 1.1 в прямоугольной системе координат (n₀, Н) обозначены области управления параметрами: зона заклинки (пунктирная штриховка), зона автоколебаний (диагональная штриховка), зоны резонансных продольных колебаний (горизонтальная штриховка) и зоны равномерного вращения (без штриховки).

Рисунок 1.1 - К понятию стратегии бурения

Процесс бурения изображается кривой у, называемой стратегия бурения, и режимной точкой Q, которая движется по этой кривой из положения Qi до положения Q₂.

Из всего множества стратегий бурения необходимо выбрать стратегию, отвечающую минимуму времени бурения заданного интервала при условии минимума энергетических затрат.

Решение этой задачи сводится к расчёту параметров для выбора стратегии безвибрационного бурения (СБЕ). На рисунке 1.1 показан вариант в виде линии СББ 1-2-...-11-12. Участки 2-3, 8-9, 10-11 лежат в зонах продольного резонанса и являются только участками переключения скоростей вращения ротора. Из рисунка видно, что бурение ведётся только в зонах нормальной работы в отсутствии интенсивных вибраций.

В работе определены функциональные зависимости механической скорости бурения и от скорости п₀, осевой нагрузки Р₀, времени бурения t и глубины Н, исходя из которых, находится СББ.

Однако этот способ имеет ряд недостатков.

На рисунке 1.1 видно, что зоны продольного резонанса представляются множеством диагональных полос. Но часто встречаются участки, которые целиком лежат в зоне резонанса, и при любом наборе скоростей весь интервал бурения [HI, Н2] пройти с гарантией отсутствия интенсивных низкочастотных продольных вибраций нельзя. Иногда для получения безвибрационной зоны необходимо провести дополнительные мероприятия (например, подобрать соответствующую компоновку бурильной колонны), что весьма затруднительно.

Начиная с некоторой предельной глубины Н,„ точность поддержания скорости вращения бурильного инструмента вообще не позволяет гарантированного попадания величины п₀ в безвибрационный интервал. Всё это указывает на сложность применения данного метода.

Существует совершенно иной подход в системах управления по параметрам вибрации. Они одновремённо выполняют ограничение и защиту.

В направлении динамической коррекции управляющей системы выполнялись работы в Петербургском горном университете [15]. Разработан и успешно испытан тиристорный электропривод шарошечных станков, в котором синтезированы динамические звенья коррекции. Например, интегрально - дифференцирующее звено с передаточной функцией W_k =к_:р/(Т_р +1)

осуществляет гибкую отрицательную обратную связь по току якоря и при правильном выборе его параметров Т_р и k_s (коэффициент передачи по току) происходит компенсация крутильных колебаний става (а частично и продольных). Постоянная времени Т_р выбирается так, чтобы коррекция работала наилучшим образом на наиболее опасных резонансных частотах (20 - 30 с"¹ для шарошечного бурения). Подобные работы имеют важное преимущество - возможность не уходить от опасных значений технологических параметров бурения, а подавлять автоколебания, т.е. расширять допустимые режимы бурения.

В Санкт-Петербургском горном институте ведутся работы по совершенствованию электромеханических буровых снарядов на грузонесущем кабеле с применением резонансных явлений.

В работе [58] автором рассматривается разработка резонансного асинхронного электромеханического преобразователя возвратно- вращательного движения для привода породоразрушающего инструмента динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле.

Одним из перспективных направлений совершенствования электромеханического бурового снаряда на грузонесущем кабеле является разработка безредукторного динамически уравновешенного бурового снаряда [58]. Современное состояние силовой преобразовательной техники и систем управления позволяет создать электромеханический преобразователь на основе короткозамкнутого асинхронного двигателя (АД), обеспечивающего резонансные гармонические возвратно-вращательные движения коронки, связанной с ротором, который, в свою очередь, связан со статорной частью АД упругим элементом. Динамический момент, действующий на породоразру- шающий инструмент и равный электромагнитному моменту АД, уравновешивается динамическим моментом движущегося в противоположенном направлении статорной частью АД под действием того же электромагнитного момента. Так как в любой момент времени сумма моментов, действующих на статорную и роторную части АД равна нулю, то указанная электромеханическая система является динамически уравновешенной и не нуждается в распорном устройстве и редукторе, что даёт значительный экономический эффект.

В работе [51] произведена разработка математической модели асинхронного электромеханического преобразователя возвратно-вращательного движения и анализ установившихся резонансных колебаний. Установлены аналитические зависимости амплитуды резонансных колебаний породораз- рушающего инструмента бурового снаряда на грузонесущем кабеле от динамических параметров электромеханической системы; определён диапазон изменения коэффициента передачи положительной обратной связи по скорости движения ротора относительно статора АД, при котором обеспечивается устойчивая работа в резонансном режиме.

В работе [30] авторами рассмотрены принципы построения структур систем управления электроприводов, обеспечивающих оптимизацию энергетических процессов резания и разрушения горного массива. Проведенные исследования в области ограничения динамических нагрузок электромеханических систем с рабочими породоразрушающими органами показали, что энергетические показатели при этом не улучшаются. Действительно, демпфирование колебательных процессов увеличивает ресурс установки, но вместе с тем «гладкое резание» снижает производительность установки. Для буровых установок горного производства подобное снижение может достигать 30 - 35% [30].

Проведены исследования системы электропривода, обеспечивающие возвратно-вращательные движения рабочего органа вокруг своей оси. Наиболее оптимальной для этого случая является система, работающая в резонансном режиме, поскольку потенциальная энергия не рассеивается, как это осуществляется при демпфировании колебаний в электромеханической системе, а целенаправленно используется для разрушения горного массива. При постоянстве энергетического баланса процесса резания снижается доля кинематической энергии, следовательно, и удельные энергозатраты.

Вывод: исследования резонансных режимов для процесса разрушения горных пород является актуальной научной задачей и требует дальнейшего рассмотрения.

1.4 Анализ взаимовлияния электромеханических процессов разрушения на энергетические характеристики электропривода

Влияние электромеханических процессов разрушения горных пород на энергетические характеристики электропривода обусловлено радом факторов. Многообразие влияющих факторов объясняется сложностью рассматриваемого процесса. Проведём анализ влияния процессов разрушения на энергетические характеристики электропривода с учётом наиболее значимых факторов на примере станков шарошечного бурения.

Скорость бурения шарошечным долотом зависит от следующих факторов: свойств пород, параметров вооружения шарошек и долота, условий взаимодействия долота с породой, режимов бурения [53].

Доказано, что с увеличением осевого давления Р_ос темп увеличения скорости бурения сначала быстрый, а затем постепенно уменьшается с разной интенсивностью, зависящей от породы бурения [53].

При постоянных величине осевого усилия Р_ос и расходе воздуха скорость бурения сначала возрастает с увеличением числа оборотов пропорционально до некоторого значения п, с дальнейшим увеличением числа оборотов интенсивность прироста скорости бурения снижается, а при некоторых значениях может даже уменьшаться. В обоих случаях сказывается влияние неполного удаления продуктов разрушения с поверхности забоя.

В общем случае с увеличением скорости вращения и осевого давления стойкость долот снижается, а производительность станка растёт. Главной причиной снижения стойкости долота с увеличением п является перегрев и заклинивание подшипников опор.

Повышение скорости вращения п уменьшает глубину погружения долота за один оборот и, следовательно, ухудшает процесс разрушения породы в забое, резко снижает стойкость долот, увеличивает вибрации става и всего оборудования станка. В то же время увеличение скорости вращения долота п приводит к увеличению потребляемой мощности двигателем вращателя и снижению удельного расхода энергии в компрессорах и гидросистемах на 1 м скважины.

Границы интенсификации режимов шарошечного бурения определяются виброустойчивостью и надёжностью буровых станков.

Вибрации, возникающие при бурении, можно разделить на три группы: вибрации от работы оборудования, вибрация от перекатывания по забою шарошечного долота, вибрация от бурового става.

Вибрации, возникающие от работы оборудования, весьма незначительны и могут не учитываться при анализе.

Вибрации от перекатывания шарошечного долота по забою имеют сложную взаимосвязь с режимами бурения, параметрами станка, физико- механическими свойствами и трещиноватостью горных пород.

Вибрационный режим бурового става слагается из упругих вибраций самого става и возмущений, накладываемых за счёт работы шарошечного долота при его перекатывании по забою. Измерения показывает, что уровень вибрации на буровых станках с различными схемами вращательно- подающего механизма по основной частоте укладывается в диапазон 1 - 24 Гц и по наложенной вибрации до 200 Гц [59].

При совпадении частот собственных и возмущающих колебаний возникают резонансные явления, которые весьма вредно сказываются на работе всех узлов станка.

Вибрации, возникающие при разрушении горных пород шарошечным долотом, можно разделить на две группы: вибрации, возникающие в процессе взаимодействия долота с породой, и вибрации, возникающие вследствие неустойчивости самой буровой системы, как упругого элемента механической системы.

Первая группа вибраций проявляется в виде ударных возмущений и вынужденных колебаний. Они являются органическим свойством процесса разрушения. Эти вибрации состоят из низкочастотных и высокочастотных составляющих.

Основным источником возникновения низкочастотных вибраций являются выступы и углубления на поверхности забоя скважины, образующиеся вследствие недостаточно большой жёсткости системы подачи.

Вторым источником возбуждения продольных и крутильных взаимно связанных низкочастотных колебаний являются геологические особенности разреза скважины. Перемежающиеся по крепости пласты породы, залегающие с различными углами падения, так же как и степень трещиноватости массива пород, являются дополнительным источником вибрации. Жёсткость системы подачи долота оказывает значительное влияние на величину амплитуды вибрации. Чем меньше жёсткость, тем чаще могут возникать явления резонанса.

Опыт шарошечного бурения показывает, что с увеличением скорости вращения резко возрастают вибрации бурового става и всего оборудования станка. Основным источником вибрации, снижающей эксплуатационную надёжность буровых станков и проходку на долото, является вибрация бурового става. По мере увеличения глубины бурения параметры вибрации возрастают из-за уменьшения жёсткости буровой системы.

Основным источником возбуждения высокочастотных вибраций является взаимодействие штырей вооружения шарошек долота с породой. Однако эти вибрации по величине амплитуды отличаются на порядок от низкочастотных, поэтому ими можно пренебречь.

Вторая группа вибраций, вызываемая автоколебаниями системы, проявляется во всех элементах конструкции станка. Эти вибрации обратно пропорциональны жёсткости несущей конструкции бурового станка и происходят, как правило, в спектре низких частот.

Экспериментами установлено, что физико-механические свойства горных пород такие как контактная прочность, предел прочности на сжатие, степень трещиноватости, перемежающиеся по крепости и направлению напластования - самым существенным образом влияют на динамику буровых станков, определяют их надёжность, производительность, проходку на долото, а в конечном счёте себестоимость бурения.

Анализ осциллограмм вибрации бурового става (рисунок1.2) показывает, что частота и амплитуда вибрации увеличивается пропорционально числу оборотов [59].

Рисунок 1.2 - Влияние скорости вращение долота при постоянном осевом давлении на параметры вибрации бурового става: а - вертикальной плоскости; б - горизонтальной плоскости

Из осциллограмм также видно, что через определённые интервалы, характерные для конкретных условий (физико-механические свойства породы, параметры долота, разница в диаметре долота и штанг, режимы бурения и т. д.), в буровой системе возникают продольные и поперечные колебания на резонансной частоте, характеризующиеся всплеском с двух-, трёхкратным увеличением амплитуды [59].

Приведённые данные по вибрациям свидетельствуют о том, что на буровых станках приходится применять режимы бурения, далеко не соответствующие оптимальным по технико-экономическим показателям. Комплекс технических мероприятий позволяет снизить уровень вибраций до допустимых пределов при рабочих режимах. Системы управления по параметрам вибрации позволяют сохранить скорость бурения и уйти к границе допустимых вибраций.

В данной работе предлагается резонансные явления в буровой системе, обусловленные возмущающими колебаниями, оптимизировать посредством электромеханических процессов с целью улучшения энергетических характеристик электропривода.

Наиболее универсальным и распространённым способом бурения является шарошечное. У станков вращательного бурения шарошечными долотами основными факторами, определяющими рациональный режим бурения, являются: осевая нагрузка на долото, частота его вращения и эффективность очистки забоя от буровой мелочи.

Шарошки применяют для разрушения пород средней и выше средней прочности, когда резцы на таких породах интенсивно изнашиваются и применение их становится невыгодным.

Шарошку нагружают через ось вращения усилием подачи F_y и перемещают по поверхности забоя усилием F_z - усилием резания с переносной скоростью v. Усилие F_y передаётся шарошке явно, тогда как усилие F_z возникает при перекатывании. При отсутствии усилия F_y разрушения породы не будет происходить (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Схема разрушения породы дисковой шарошкой выколом

Из выводов, полученных в работе [54], следует, что прочность породы слабо влияет на усилие подачи F_y.

Различают два вида износа шарошек: силовой и абразивный. Поскольку F_y > F_z, то для силового, первоначального износа важно усилие подачи, поэтому силовой износ рассчитывают по F_y.

Абразивное изнашивание является результатом трения лезвия шарошки о породу. Трение возникает на боковых поверхностях шарошки при её внедрении в породу под действием сил F_y и F_z. Однако абразивный износ не зависит от этих усилий, но пропорционален прочности породы и переносной скорости шарошки v.

Для шарошек большое значение имеет силовой износ под действием усилия подачи и меньше - абразивный износ.

При работе шарошки изнашивание её происходит и в том случае, когда разрушение породы не происходит: в этом случае шарошка внедряется в породу и в это время трётся об неё и, следовательно, изнашивается.

Мощность на одном диске шарошки определяется как:

N_lz=Fv.

Затраты мощности на преодоление силы трения учитываются применением силы F = F_y + F_z.

Мощность, потребляемая исполнительным органом на разрушение породы, определяется как:

N_z = F v п,

где п - число шарошек на исполнительном органе, v - скорость перемещения шарошки по забою (обычно не превышает 1 м/с).

Мощность, расходуемая на перемещение исполнительного органа, оценивается как:

N_y = F_y v_n n,

где v_n - скорость перемещения забоя и исполнительного органа при разрушении забоя.

В некоторых конструкциях машин, разрушающих породу шарошками, не регулируется скорость перемещения шарошки по забою, эта скорость остаётся постоянной, а регулируют процесс разрушения, изменяя усилие подачи и соответственно толщину стружки.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что, уменьшая усилие подачи, можно уменьшить силовой износ шарошек и продлить срок их работы.

Интенсификация процесса бурения возможна при увеличении стойкости долота и частоты его вращения с одновременным обеспечением виброустойчивости станка.

Непроизводительные затраты энергии при бурении вызваны моментами трения в подшипниках, трением бурового става о стенки скважины, упругими колебаниями снаряда, а также вибрацией бурового станка, передающегося от забоя через буровой снаряд.

Потери мощности на упругие колебания снаряда при перекатывании долота по забою скважины зависят от частоты вращения бурового става и осевого усилия.

При возникновении вибраций нагрузочный ток якоря двигателя значительно возрастает, а потери мощности в двигателе увеличиваются. В условиях сильных вибраций доля энергии, затрачиваемая на создание полезного момента, падает ниже 70%. Частота вибраций определяется частотой вращения бурового става и осевой нагрузки на долото [14].

При определённых частотах вращения наблюдаются резонансные явления. Резонанс зависит от осевой нагрузки, крепости и трещиноватости пород, по которым осуществляется бурение. С увеличением крепости и трещиноватости пород увеличение виброскорости и появление резонансных колебаний наблюдаются при меньших частотах вращения долота. Сильная вибрация сопровождается большими колебаниями тока якоря двигателя вращателя.

Существуют два вида экспериментальных зависимостей вибрационной мощности в функции осевой нагрузки р. В первом случае с увеличением осевой нагрузки р вибрации нарастают достаточно плавно. Во втором случае наблюдаются зоны повышенного значения вибромощности при некоторых значениях Др, Ар, ...Ар, в промежутках между которыми вибрации незначительны [14].

При увеличении частоты вращения со характер возрастания вибраций бурового става может быть различным. Наблюдаются случаи плавного или скачкообразного возрастания вибрации. Скачкообразное нарастание вибраций ведёт, как правило, к одновремённому повышению тока и потребляемой мощности двигателя, причём скорость бурения может при этом значительно снизиться [14].

Рассмотренные характерные зависимости вибромощности в функции параметров режима со и р определяют дополнительные запретные зоны в области оптимального управления.

Одним из путей снижения нагрузок рабочих органов буровых станков является улучшение их динамических свойств за счет выбора рациональных параметров электромеханической системы и активного управления процессами бурения таким образом, чтобы вредные явления, связанные с вибрациями, направить на разрушение горного массива. Эта задача может быть решена средствами регулируемого электропривода, путем введения электромеханической системы в управляемый резонансный режим.

1.5 Постановка задач исследования

Обзор материала, изложенного в предыдущих разделах данной главы, позволяет сделать следующие выводы.

Появление целого поколения новых электронных элементов, преобразовательной и микропроцессорной техники значительно расширяет возможности электропривода в области энергосбережения. Переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому даёт экономию как энерго-, так и других технологических ресурсов, уменьшая их потери при изменении режимов работы.

Основные работы в области оптимизации процессов разрушения горных пород направлены на разработку автоматических систем управления рабочими органами в соответствии с изменением возмущающих воздействий. Режим работы горнодобывающих механизмов находится чаще всего в условиях неопределённости, из-за разброса физико-технических свойств горной породы. Поэтому современные тенденции развития систем управления горными машинами состоят в расширении принципов их адаптации к изменяющимся параметрам внешних воздействий. Адаптивность систем управления горным оборудованием позволяет оптимизировать технологический процесс добычи не только по качественным показателям, но и с позиций энергоэффективности.

Энергосбережение средствами регулируемого электропривода может быть осуществлено только комплексно с использованием различных способов управления. Одним из путей повышения энергоэффективности работы электропривода является использование резонансных явлений, связанных с вибрацией горного оборудования.

Применительно к электромеханическим системам явления резонанса целесообразно использовать для процесса резания и разрушения горных пород, т.е. для добычных машин - угольных комбайнов, роторных экскаваторов, стругов, а также буровых установок. Исследования в области энергосбережения средствами электропривода для такого класса горных машин практически отсутствуют.

В качестве примера рассматривается работа электромеханической системы бурового станка. Вибрация бурового става является одним из основных факторов, препятствующих оптимальному режиму бурения. При бурении станки шарошечного бурения подвергаются значительным статическим и динамическим нагрузкам. Статическая и динамическая устойчивость бурового станка является важным показателем его эксплуатационных качеств, определяющим как безопасность, так и производительность его работы. Основным источником динамических нагрузок и вибраций шарошечных станков по данным выполненных исследований является специфика процесса взаимодействия шарошечного долота с породой, который характеризуется возмущениями в диапазоне частот до 250 Гц [59]. Наиболее неблагоприятное воздействие на оборудование станка и обслуживающий персонал оказывают низкочастотные колебания нагрузки в диапазоне 2...8 Гц [59,69], доля которых в общей дисперсии возмущающей нагрузки максимальна. Широкий спектр вынужденных колебаний станка определяется наличием гармоник возмущающей случайной нагрузки, близких к его собственным частотам, что приводит на практике к резонансным явлениям.

Исследованиями установлено, что интенсивные колебания нагрузки рабочих органов шарошечных станков обусловлены наложением высокочастотных продольных колебаний, возбуждаемых каждым венцом долота (явление «биений»), и волновой поверхности забоя, а так же поперечных (параметрических) колебаний бурового става. Совпадение резонансных частот продольных и «параметрических» колебаний вызывает явление «суммарного» резонанса и, как следствие, резкое повышение динамических нагрузок в механизме подачи, приводящих к «отскоку» долота от забоя. Это приводит к тому, что значение коэффициента динамичности осевого усилия в резонансном режиме может достигать 2...2,5 [59]. Эти упругие колебания желательно использовать как дополнительный источник механических воздействий, направленный на разрушение горной массы при бурении. Решение такой задачи позволяет обосновать энергосберегающую технологию, при которой потенциальная энергия в буровой штанге не рассеивается в элементах электромеханической системы, а целенаправленно направляется на разрушение горной массы при бурении.

Отсюда возникает, задача, связанная с оптимальным режимом работы электропривода бурового станка, при которой обеспечивается работа системы с динамическими усилиями, не превышающими заданные максимальные значения

В соответствии с вышеизложенным материалом, для достижения цели, поставлены следующие основные задачи исследования:

1 .Обоснование способа и разработка средств энергосбережения в электромеханической системе горнодобывающих машин и механизмов с использованием явления резонанса.

2. Выявление областей использования управляемого резонансного режима (определённых воздействий) для получения заданных энергетических свойств электропривода вращателя бурового станка.

3. Анализ энергетических свойств электропривода вращателя бурового станка при резонансе в системе с разомкнутым и замкнутым управлением.

4. Разработка структуры адаптивной системы управления электроприводом вращателя бурового станка, оптимальной по критерию минимума потребляемой электроэнергии (мощности).

5.Обоснование рекомендаций и технических решений по способу и средствам энергосбережения в электроприводах вращателя бурового станка.

2 Анализ режимов работы электромеханических систем рабочих органов

2.1 Математические модели электромеханических систем рабочих органов

Применительно к электромеханическим системам явление резонанса целесообразно использовать для процесса резания и разрушения горных пород с целью существенной экономии энергии. При постоянстве энергетического баланса процесса разрушения снижается доля кинетической энергии, а следовательно и удельные энергозатраты.

Анализ резонансного режима в электромеханических системах горных машин приводится в данной работе на примере буровой установки. Необходимо исследовать системы управления, обеспечивающие активное формирование незатухающих колебаний на резонансной частоте в зоне разрушения.

В буровых станках различают электроприводы вращателя, подачи бурового снаряда на забой, пневмотранспортной системы, вспомогательных агрегатов станка. Главным электроприводом бурового станка является привод вращателя.

Типы приводов, применяемых на станках для вращателей: асинхронный нерегулируемый или ступенчато регулируемый, регулируемый постоянного тока. На современных буровых станках наиболее широко распространены приводы вращателей на постоянном токе с регулированием по схеме «тири- сторный преобразователь - двигатель» (ТП - Д). На буровых станках прежних выпусков установлен привод по системе «генератор - двигатель постоянного тока - электромашинный усилитель» (Г - Д - ЭМУ)[52].

Электропривод системы ПЧ - Д для буровых станков в настоящее время находится в стадии разработки [71].

Требования, предъявляемые к электроприводу, в значительной мере определяются условиями его работы: вибрации, динамические удары, запылённость, большая влажность воздуха, атмосферные воздействия.

Работа электропривода вращателя определяется режимами бурения, надёжностью, экономичностью при эксплуатации. Он должен обеспечивать заданный диапазон регулирования частоты вращения бурового снаряда для всех типов горных пород и в соответствии с их физико-механическими свойствами.

Привод должен обеспечивать на выходном валу необходимой величины крутящий момент, развивать достаточную мощность для преодоления статических сопротивлений горных пород при бурении. Электропривод вращателя должен обеспечивать управление режимами работы, автоматическое регулирование параметров и контроль основных показателей привода.

Опыт эксплуатации показывает, что для главного электропривода вращателя более предпочтителен электропривод постоянного тока с плавным регулированием частоты вращения. В настоящее время наиболее часто используется на буровых станках электропривод постоянного тока по системе ТП-Д(УВ-Д).

2.1.1 Математическая модель электромеханической системы вращателя буровых станков

Анализ процессов в электромеханических системах принято производить исходя из представления их в виде динамических систем, состоящих из ряда динамических звеньев, обладающих различными параметрами, динамическими свойствами. Часто такие системы являются нелинейными, для анализа которых требуется применение специальных методов, поэтому вводятся допущения с целью их линеаризации. Линейные системы состоят из типовых динамических звеньев.

Для синтеза структурной схемы электропривода вращателя по системе УВ - Д необходимо рассмотреть передаточные функции элементов электропривода вращателя.

Уравнения двигателя постоянного тока, как известно, имеют вид:

и_я=Е + 1_я-г_я+Ь_я.^-,

М- M= J — dt'

где Uя, 1_Я - соответственно напряжение и ток якоря двигателя; Е - э.д.с. двигателя; г_я - активное сопротивление якорной цепи; Ь_я - индуктивность якорной цепи; М - момент, развиваемый двигателем; М_с - момент статического сопротивления; со - угловая скорость двигателя; J-момент инерции привода.

Для определения передаточных функций эти уравнения удобнее представить в операторной форме:

ои_я-с_е-0))=(г_я+Ь_я-р)1_я; М - М_с - Jpco, (2.1)

где р - оператор Лапласа, с_е - постоянная двигателя при неизменном потоке возбуждения.

Из первого уравнения системы (2.1) может быть получена передаточная функция по управляющему воздействию для якорной цепи двигателя:

^w»(p)=_1J(¹:^{p\ л⁼~тт7' w

и_я(р)-с_есо(р) рТ_я+\ где к_я = 1 !г_я- статический коэффициент передачи по току якоря; Т_я = Ь/г_я - электромагнитная постоянная якорной цепи.

Из второго уравнения системы (2.1) можно получить передаточную функцию для механической части двигателя:

М(р)-М_с(р) Т_мр где Т_м = Зг_я /с_е - электромеханическая постоянная времени, с.

Тиристорный преобразователь рассматривается как инерционное звено с передаточной функцией:

U»(P) ^ТпР + ¹

где к_п - статический коэффициент передачи тиристорного преобразователя; Т_п - электромагнитная постоянная времени тиристорного преобразователя.

В соответствии с этими передаточными функциями получена структурная схема электромеханической системы вращателя (рисунок 2.1), в состав которой входят четыре типовых динамических звена: два апериодических первого порядка - звенья преобразовательного устройства и якорной цепи; одно интегрирующее - звено скорости; одно безынерционное - звено внутренней обратной связи по ЭДС двигателя.

Рисунок 2.1 - Структурная схема электропривода системы управляемый выпрямитель - двигатель

При электромеханических переходных процессах учитывается совместное действие механической и электромагнитной инерционностей в системе электропривода. Для анализа этих процессов используются известные дифференциальные уравнения, описывающие поведение электропривода при механических и электромагнитных переходных процессах. Так движение электропривода в данной системе УВ - Д описывается дифференциальным уравнением второго порядка, которое позволяет анализировать переходные процессы при заданном законе изменения напряжения источника питания или нагрузки на его валу, пропорциональной статическому току 1_С [28]:

Т_иТ_яМр) + Т_мрсо(р) + со(р) = ^--^1_с(р)-^Т_яр1_с(р). (2.5)

с, с,

В правой части уравнения (2.5) первое слагаемое представляет собой управляющее, а два других - возмущающее воздействие.

Из уравнения (2.5) следует, что характер переходного процесса зависит от соотношения между постоянными времени Т_м и Т_я: при Т_м < АТ_Я переходной процесс является колебательным; если Т_м > 4Т_я, то переходной процесс приобретает апериодический характер.

2.1.2 Математическая модель электромеханической системы вращателя, содержащей упругие связи

Большинство применяемых на шахтах и рудниках машин и установок представляют собой сложные электромеханические системы (ЭМС), состоящие из инерционных масс, связанных между собой упругими элементами. Поэтому, при всяком изменении возмущающих или управляющих воздействий (внезапное их приложение или снятие, скачкообразное изменение момента электродвигателя) в элементах таких систем возникают колебательные переходные процессы, вызывающие дополнительные динамические нагрузки в упругих механических элементах. Возникающие упругие колебания в механической системе влияют на переходные процессы в электродвигателе, отражаясь на его скорости и моменте (токе).

Наиболее существенно это влияние сказывается в электроприводах механизмов, содержащих упругие звенья с относительно малой жёсткостью и низкой собственной частотой механических колебаний. В электроприводах с замкнутой системой управления такая взаимосвязь может вызвать электромеханический резонанс.

Буровой станок можно представить как механизм с последовательным соединением упругих звеньев. Под влиянием нагрузки, возникающей в процессе бурения, буровой став, вследствие его упругих свойств, совершает продольные и крутильные колебания. Поэтому для более полного анализа резонансных режимов в ЭМС вращателя, необходимо исследовать переходные процессы в ней с учётом упругости звеньев.

Электропривод рабочих машин и установок - это, как правило, многомассовые системы. Большую сложность для математического описания представляют системы с распределёнными массами, к которым относится и буровая колонна бурового станка.


При определённых допущениях системы с распределёнными массами целесообразно представить в виде расчётной схемы, состоящей из ряда сосредоточенных масс, соединённых упругими элементами, характеризуемыми коэффициентом жесткости - с [17,22]. Количество таких сосредоточенных масс может быть бесконечно большим. Переходные процессы в таком случае описываются с помощью линейных дифференциальных уравнений. Число сосредоточенных масс выбирается из условия совпадения основных частот собственных колебаний в системах с сосредоточенными массами и с распределёнными массами [26].

На рисунке 2.2 представлена расчётная схема ЭМС в виде двух масс с моментами инерции J/ и J₂, соединённых упругим звеном с коэффициентом жёсткости с.

^ .. . ..

0)

М w.

Рисунок 2.2 - Расчётная схема двухмассовой электромеханической системы для вращающих масс

В данном случае «// - момент инерции ротора двигателя и жёстко связанных с ним частей механизма; J₂ - момент инерции движущихся частей механизма, приведённый к валу двигателя; с - эквивалентная жёсткость механических связей.

С усложнением расчётной схемы возрастает спектр частот колебаний в системе, однако в работе [26] доказано, что основная частота колебаний q_t в любой расчётной схеме при наиболее распространённых соотношениях моментов инерции изменяется мало. Расчёты показывают также, что с увеличе


нием количества масс и при определённом соотношении моментов инерции основная частота колебаний qj мало отличается от основной частоты колебаний для двух- и трёхмассовой расчётных схем. Это позволяет рассматривать многомассовые системы в виде простых двух- и трёхмассовой расчётных схем.

В буровом станке основные массы (моменты инерции) расположены по концам трансмиссии (буровой штанги), а моменты инерции трансмиссии незначительны. Поэтому структурная схема ЭМС привода вращателя может быть представлена как двухмассовая с моментами инерции J/ и J₂, соединённых упругим звеном с коэффициентом жёсткости с. При этом J] - момент инерции ротора двигателя и жёстко связанных с ним частей механизма, J2 - момент инерции движущихся частей механизма, приведённый к валу двигателя.

(2.6)

Без учёта внутренних потерь в звеньях ЭМС и при отсутствии зазора в элементах передачи уравнения равновесия расчётной системы, как известно, можно представить в виде системы уравнений:

M(p)-M_y(p) = J_tpa)_i; M_y(p)-M_c(p) = J₂pco₂;

ср(щ-(0₂) = рМ_у,

где соJ и со₂ - угловые скорости вала двигателя и бурового инструмента; М - момент двигателя; М_у и М_с - моменты нагрузки упругого элемента и нагрузки рабочего органа, приведённые к скорости двигателя.

(2.7)

Из системы уравнений (2.6) найдём передаточные функции механических звеньев расчётной системы:

a>i (Р) 1 .

М,(р)-М_у(р) pJ

со₂(р) 1

М_у(р)-М_с(р) pj₂'

Уравнение упругого звена можно записать в виде:


МАр)

(2.8)

^(p)-o)₂(p) p'

На рисунке 2.3 представлена структурная схема механической части двухмассовой ЭМС, составленная на основании передаточных функций (2.7), (2.8).

Рисунок 2.3 - Структурная схема механической части двухмассовой

Электромагнитная постоянная цепи якоря двигателя постоянного тока с независимым возбуждением заметно влияет на переходный процесс в момент изменения нагрузки или питания от преобразовательного устройства. Поэтому с учётом электромагнитной постоянной времени Т_я величина электромагнитного момента двигателя из (2.6) определяется выражением :

Щр) ^к„

— = —-— (2 9)

где к_м = М_нол/(Е_пном - Е_диом) - статический коэффициент передачи по электромагнитному моменту; М_ном - номинальный момент двигателя; Е_пшш - номинальная ЭДС преобразовательного устройства; Е_дном - номинальная ЭДС двигателя.

(2.10)

Инерционность преобразователя характеризуется передаточной функцией:

еЛР)

и Ар) рТ_п +1'

А'


Структурная схема многомассовой электромеханической системы в электрической части содержит звенья преобразовательного устройства, силовой цепи приводного электродвигателя, внутренней обратной связи по ЭДС двигателя, а в механической части представлена в виде двух- или трёхмассо- вой расчётной схемы в зависимости от свойств механизма.

Используя передаточные функции (2.7), (2.8), (2.9), (2.10), составляется обобщённая структурная схема двухмассовой ЭМС с учётом Т_я, представленная на рисунке 2.4.

с Р

Рисунок 2.4 - Структурная схема двухмассовой электромеханической

системы с учётом Т_я

pj,

- м.

Oh

Исследование режимов работы электромеханической системы по одно- и двухмассовой структуре производилось на примере электропривода вращателя буровых станков типа СБШ-250МН.

2.1.3 Электромеханические параметры электропривода вращателя

Станки типа СБШ предназначены для бурения вертикальных и наклонных взрывных скважин в сухих и обводнённых, монолитных и трещиноватых породах с коэффициентом крепости / < 6-И 8 диаметром 215 - 320мм и глубиной 32-60м [9].

щателя служит для вращения буровой штанги через редуктор и обеспечивает совместно с механизмом подачи необходимый режим бурения. Диапазон оптимальных значений параметров бурового процесса довольно широк и составляет на станках СБШ для осевого усилия 20 - 350 кН, а для угловой скорости бурового инструмента 0,35- 2,5 с"¹. Значения мощности двигателя вращателя могут меняться в пределах 9-90 кВт, а крутящего момента - 10 - 65 кНм.

Современные буровые станки типа СБШ - 250МН имеют регулируемые электроприводы на постоянном токе, построенные по системе тиристор- ный преобразователь - двигатель (ТП - Д) с серийными тиристорными агрегатами ТПЕ-250-460-У2.1 и электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения типа ДПВ-52У2, имеющими технические данные [7,64], приведённые в таблицах 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1 - Технические данные преобразователя ТПЕ-250-460-У2.1

Таблица 2.2 - Технические данные электродвигателя ДПВ-52У2

В соответствии с техническими данными электродвигателя и электромеханической системы вращателя бурового станка определены параметры структурной схемы (см. рисунок 2.1), являющейся исходной для математического моделирования:

коэффициент передачи звена внутренней обратной связи по ЭДС двигателя с_е = (U_H0M - I_H0Mr_H)l(о_тм =2,275 Be;

статический коэффициент передачи якорной цепи

к_я=-=Щ03 А/В;

статический коэффициент передачи звена скорости _Кс=И = 0,0244 1/Ас;

электромагнитная постоянная времени якорной цепи

Т_я = 0,055с;

^Кя


т'=4?- = 0,022с.

м 2 ³ ?

статический коэффициент передачи суммирующего усилителя к_у = 20;

статический коэффициент передачи тиристорного преобразователя к„ = 45;

постоянная времени тиристорного преобразователя Т_п= 0,005 с. Электромеханические переходные процессы в электроприводе вращателя имеют колебательный характер, так как, Т_м< 4Т_я.

Расчетные значения параметров колебательного процесса ЭМС:

коэффициент затухания ^п = т~ = 9,091с"¹;

- угловая частота собственных колебаний при наличии трения (резо-

угловая частота собственных колебаний при отсутствии трения

нансная частота)

2.1.4 Принципы формирования структур управления электроприводами в резонансных управляемых режимах

Резонансные явления широко используются в технике и технологических процессах. Применительно к электромеханическим системам явление резонанса можно использовать для процессов разрушения горных пород, в том числе и для станков шарошечного бурения. При этом необходимо установление оптимального процесса резания посредством активного управления электроприводом этих механизмов. Возвратно-вращательное воздействие в резонансном режиме на горный массив повышает эффективность разрушения полезных ископаемых или горных пород. Это позволяет снизить удельные энергозатраты, повысить производительность машин и установок за счет
выбора оптимального режима резания, обеспечить экономию режущего инструмента.

Основной задачей управляемого резонансного режима является обеспечение таких нагрузок в кинематических цепях механизма вращателя, чтобы они не превышали предельно возможных. С этой целью в работе [59] проводилось исследование различных структур системы управления и выявление влияния различных обратных связей на поведение этих структур в резонансном режиме, когда частота собственных колебаний системы совпадает с частотой возмущающего воздействия.

Для получения резонансного режима в электромеханической системе вращателя бурового станка возможны два канала возмущающего воздействия: канал управления, в котором создается сигнал управления с гармоническими колебаниями и канал статического возмущения в зоне резания, обусловленного состоянием горного массива и особенностями режущего инструмента (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Каналы возмущающего воздействия на электромеханическую систему

Энергетические свойства электропривода по критерию минимального потребления электроэнергии определяются коэффициентом динамичности тока якоря приводного электродвигателя, как в случае управляющего, так и статического возмущающего воздействия.

Снижение потребления электроэнергии возможно, если коэффициент динамичности K_di > 1. Доказано, что средняя экономия электроэнергии при

этом может быть на уровне 30 - 35% [68].

Соотношение между реализуемой мощностью приводного электродвигателя механизма вращения бурового станка и коэффициентом динамичности тока якоря имеет вид обратно пропорциональной зависимости, т.е. чем больше коэффициент динамичности тока якоря, тем меньше требуется электроэнергии на процесс разрушения. В работе [68] доказано, что зависимость потребляемой мощности от коэффициента динамичности по току имеет вид

* Р

где Р = относительная потребляемая мощность; Р = Е_п1_я / к_д1 - потреб-

Р'с

ляемая мощность в случае статического возмущающего воздействия; Р_с = Е_п1_с - потребляемая мощность в случае отсутствия статического возмущающего воздействия (i_c = const).

Это соотношение справедливо, как в случае управляющего, так и в случае статического возмущающего воздействий. Следовательно, при возмущающих воздействиях потребление энергии из сети уменьшается и его минимальное значение приходится на околорезонансную частоту.

Анализ поведения координаты тока якоря двигателя в резонансном режиме для различных замкнутых структур управления показывает, что коэффициент динамичности для этой координаты может быть как больше, так и меньше единицы.

Как показал анализ рассмотренных вариантов структур активного управления координатами электромеханической системы вращателя бурового станка в резонансном режиме в работе, наиболее рациональными следует считать структуры с жесткими обратными связями по скорости и току двигателя при статическом возмущающем воздействии[59]. Такие структуры должны быть дополнены гибкой обратной связью по току якоря двигателя для настройки на резонансную частоту.

В случае статического возмущающего воздействия }л_с - f(scot), ее частота со является неуправляемой величиной. Следовательно, кроме ограничения амплитуды вынужденных колебаний, необходимо решать задачу по выбору структуры управления, которая позволяла бы изменять частоту собственных колебаний системы. Диапазон изменения частот собственных колебаний должен быть таким, чтобы обеспечить их совпадение с частотой возмущающего воздействия [46].

Статическое возмущающее воздействие режущих органов горных машин, в том числе и буровых станков, носит, как правило, периодический колебательный характер [66]. Такое возмущающее воздействие можно математически разложить на ряд гармонических составляющих sco со своими частотами колебаний, на каждой из которых можно получить механический резонанс. То есть можно получить бесконечно большое число резонансов с убывающей амплитудой колебаний по мере возрастания порядка гармоник. Это облегчает решение задачи о выборе диапазона изменения частот собственных колебаний системы, для получения резонансной частоты.

Анализ резонансных режимов в ЭМС с замкнутой системой управления позволяет сформировать принципы построения структур управления с целью решения основных задач: возможность активного воздействия на величину амплитуды колебаний в резонансном режиме и возможность настройки на резонанс с помощью обратной связи при статическом возмущающем воздействии [48,67].

Согласно теории автоматического управления принято различать статику бурения (установившийся процесс), стационарную динамику (вынужденные установившиеся колебания) и динамику (переходные процессы в объекте). При исследовании резонансных режимов ЭМС вращателя бурового станка предметом анализа являются вынужденные установившиеся колебания при приложении к входам системы периодических (в том числе случайных) возмущений.

2.2 Анализ резонансных режимов в электромеханических системах рабочих органов с разомкнутым управлением

Похожие диссертации на Обоснование и выбор структур управления электроприводами исполнительных органов горных машин в энергосберегающих режимах



Обоснование и выбор структур системы управления электроприводом шахтной подъёмной установкиРешетняк Сергей Николаевич

Исследование и разработка рациональных режимов электропотребления кузнечно-прессовых машинКатков, Александр Александрович



Стационарные и динамические режимы автономного электротехнического генераторного комплекса на основе машины двойного питанияГорланов Михаил Леонидович

Динамические режимы работы автономного генераторного комплекса на основе машины двойного питанияТарасов Иван Михайлович



Режимы короткого замыкания в системах электроснабжения горных машинСмыков Анатолий Борисович



Управление режимами пуска асинхронных электроприводов горных и транспортных машинПереверзев Сергей Сергеевич



Пусковые режимы асинхронных электродвигателей в системе электроснабжения подземных горных и транспортных машинСоколов Игорь Александрович



Обоснование режимов работы электроприводов погружных насосов в технологии подземного выщелачивания полезных ископаемыхХудайбердиев, Шерзод Муртазаевич



Обоснование режимов работы вибрационной щековой дробилки с авторезонансным электроприводом маятниковых вибровозбудителей возвратно-вращательного движенияГаврилов Юрий Александрович



Обоснование режимов нагружения силового электрооборудования трамваев в эксплуатации по критерию энергосбереженияАухадеев Авер Эрикович