Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности динамических нагрузок группы подъемно-транспортных электроприводов металлургических предприятий 23
1.1. Типовые расчетные схемы механической части подъемно-транспортной группы электроприводов на металлургических предприятиях 23
1.1.1. Обзор исследуемой группы приводов, особенностей их механической части 23
1.1.2. Расчетные схемы механической части. Упрощенные типовые расчетные схемы, связь с задачей исследования 28
1.1.3. Динамические нагрузки механической части приводов 37
1.2. Типовые электромеханические системы привода 42
1.2.1. Обзор применяемых систем электропривода. Классификация 42
1.2.2. Возможность обобщенного анализа и синтеза динамических свойств ЭП постоянного и переменного тока 45
1.3. Выводы 52
2. Исследование динамики обобщенной линеаризованной системы электропривода с двухмассовой упругой механической частью 54
2.1. Оценка демпфирующей способности двухмассовой ЭМС при Тэ=0 54
2.2. Оценка демпфирующей способности ЭП инерционных механизмов при Тэ * 0, J2 » Jj 63
2.3. Косвенная оценка демпфирующей способности с помощью коэффициента электромеханической связи 69
2.4. Оценка демпфирующей способности ЭП с помощью кЭс при Тэ=0 73
2.5. Оценка демпфирующей способности ЭП с помощью КЭс при J2>:>Ji
75
2.6. Оценка демпфирующей способности ЭП для двухмассовой ЭМС в общем случае 77
2.7. Анализ демпфирующей способности ЭП при периодических возмущениях 85
2.8. Обобщенная электромеханическая схема двухмассовой параллельной ЭМС. Ее математическое описание и структурная схема 91
2.9. Исследование демпфирующей способности разомкнутой 94
двухмассовой параллельной ЭМС 94
2.10. Выводы 98
3. Динамика замкнутой системы автоматизированного электропривода с упругой механической связью 101
3.1. Анализ динамики в системе УП-Д с обратной жесткой и гибкой связью по току 101
3.2. Анализ динамики в системе УП-Д с обратной жесткой или гибкой связями по скорости 116
3.3. Оптимизация демпфирующей способности ЭП с упругой механической связью 122
3.4. Снижение колебаний упругого момента в двухмассовой ЭМС формированием фронта момента двигателя 128
3.5. Выводы 134
4. Ограничение динамических нагрузок механизмов передвижения кранов 137
4.1. Проблемы ограничения динамических нагрузок и пути ее решения 137
4.2. Пусковые индукционные резисторы (ИР) 138
4.3. Снижение динамических и электрических нагрузок одно двигательных ЭП с ИР 147
4.3.1. Расчет механических и электромеханических характеристик 147
4.3.2. Исследование демпфирующей способности механизмов передвижения на базе АД с ИР 155
4.4 Ограничение динамических нагрузок механизма передвижения моста 159
4.4.1. Обоснование требований к электроприводу механизма передвижения моста 159
4.4.2. Исследование демпфирующей способности двухмассовой параллельной ЭМС с блоком синхронизации 161
4.5. Система электромагнитного вала для работы в динамических режимах 182
4.6. Выводы 189
5. Ограничение динамических нагрузок механизмов подъема кранов 191
5.1. Электропривод подъема без регулирования скорости. Исследование динамики базовой схемы 191
5.2. Устройства для управления грузоподъемными электроприводами 199
5.3. Ограничение динамических нагрузок ЭП подъема ремонтно-монтажных кранов 200
5.4. Выводы 212
6. Экспериментальные исследования 214
6.1. Экспериментальное исследование демпфирующей способности ЭП с упругой связью 214
6.2. Экспериментальные исследования АД с ИР 216
6.3. Экспериментальные исследования динамических нагрузок механизмов передвижения кранов с многодвигательными ЭП 220
6.4. Экспериментальные исследования динамических усилий механизма подъема ремонтно-монтажного крана 226
6.5. Снижение динамических нагрузок подъемно- поворотного стола 227
6.6. Исследование демпфирующей способности электродвигателей прокатной клети 227
6.7. Выводы 231
Заключение 232
Список литературы
- Типовые расчетные схемы механической части подъемно-транспортной группы электроприводов на металлургических предприятиях
- Оценка демпфирующей способности двухмассовой ЭМС при Тэ=0 54
- Анализ динамики в системе УП-Д с обратной жесткой и гибкой связью по току
- Проблемы ограничения динамических нагрузок и пути ее решения
Введение к работе
Актуальность проблемы. Из всего многообразия общепромышленных механизмов, работающих на металлургических предприятиях, выделим группу механизмов, для которой особенно остро стоит проблема чрезмерно высокого уровня динамических нагрузок. К этой группе, в первую очередь, следует отнести технологические, ремонтно-монтажные и разливочные мостовые краны, угольные перегружатели, подъемники УСТК (установки сухого тушения кокса), конвейеры, имеющие до восемнадцати пусковых степеней, подъемно-поворотные столы и т. д. Основной причиной динамических перегрузок являются интенсивные повторно-кратковременные режимы работы в сложных условиях окружающей среды металлургического производства при наличии упругих механических связей системы, зазоров и несовершенства системы электропривода. Реальный автоматизированный электропривод всегда содержит упругие механические связи между движущимися массами системы. Управляющие и возмущающие воздействия вызывают в механической части электропривода упругие механические колебания, а колебания скорости ротора двигателя вовлекают в единый электромеханический колебательный процесс всю систему. Упругие механические колебания в подавляющем большинстве случаев отрицательно влияют на работу электропривода, вызывая повышение динамических нагрузок, уменьшение точности работы механизма, появление механических вибраций и опасных резонансных явлений. Упругие механические связи ухудшают устойчивость автоматизированного электропривода и затрудняют получение требуемого качества переходных процессов в системе. В то же время исследования показывают, что при определенных сочетаниях параметров, благодаря взаимодействию электрической и механической части, электропривод эффективно демпфирует упругие механические колебания. Поэтому задача анализа и синтеза динамики системы автоматизированного электропривода с упругой связью имеет важнейшее практическое значение. Определение сочетания параметров электромеханической системы, соответствующих максимальной демпфирующей способности электропривода, дает возможность существенно снижать динамические нагрузки двигателей и механизмов и использовать их в процессе проектирования и наладки.
Особую остроту указанная проблема имеет для электроприводов, подверженных воздействию периодических внешних или внутренних возмущений. Поэтому большинство выполненных в данной области исследований посвящено изучению резонансных явлений в электроприводах и разработке методов борьбы с ними. Значительный вклад в решение этой сложной проблемы внесли творческие коллективы УЗТМ НИИ Тяжмаша, НКМЗ, завода «Динамо», ВНИИ электропривода, ВНИПТИ, треста «Энергоуголь», ВНИИ Строймаша, , МЭИ, ЛЭТИ, МВТУ, УПИ, НЭТИ, Ленинградского, Львовского, Харьковского политехнических институтов. Московского и Днепропетровского горных институтов и других организаций.
Усилиями творческих коллективов вышеназванных организаций был накоплен и опубликован обширный материал по вопросам развития теории и практики систем автоматизированного электропривода с упругими связями в трудах: Ключева В.И., Сиротина А.А., Борцова Ю.А., Соколовского Г.Г., Квартального Б.В., Бургина Б.Ш., Масандилова Л.Б., Рассудова Л.Н., Цехновича Л.И. [31; 33; 34; 37; 68; 71; 77-н78; 80; 120; 122; 161] и других ученых.
Данная работа посвящена вопросам исследования упругих механических колебаний, возникающих при переходных процессах, вызванных изменениями управляющих и возмущающих воздействий. Интенсификация переходных процессов электроприводов, возможности которой существенно расширились в последние годы в связи с развитием технических средств управления электроприводами, усиливает проявление упругих колебательных процессов. Как следствие, оптимизация электропривода по быстродействию, осуществляемая без учета динамических процессов в механической части привода и механизме, имеющая своей целью увеличение производительности механизмов за счет формирования переходных процессов, нередко является причиной преждевременного выхода из строя механического оборудования и его аварийных простоев, что в конечном счете может свести на нет достигаемый эффект повышения производительности, причем без видимых внешних проявлений колебаний, характерных для резонансных явлений. Можно указать ряд механизмов, в которых возникающие в переходных процессах колебания проявляются вполне наглядно и их отрицательное влияние очевидно. К числу таких механизмов следует отнести механизмы передвижения и поворота кранов и экскаваторов, переходные процессы которых вызывают раскачивание подвешенного на канатах груза, затрудняющие работу оператора и увеличивающие механические нагрузки. Поэтому дальнейший рост производительности может быть обеспечен не только увеличением установленной мощности оборудования, но и за счет снижения дополнительных динамических нагрузок, связанных с наличием упругих элементов и зазоров в механической части привода.
В металлургической промышленности, в связи со значительной площадью цехов и большой тяжестью перемещаемых грузов с повышенной интенсивностью, парк мостовых кранов особенно многочислен (более пятидесяти кранов в одном цехе). Нередко они включены непосредственно в технологический процесс и от их надёжной работы зависит производительность цеха в целом. Анализ работы кранового оборудования в металлургии показал [115; 146-И51], что на долю выхода из строя электрооборудования приходится приблизительно пятьдесят процентов всех отказов и около пятидесяти процентов простоев крана. Основными причинами неисправностей электрооборудования являются тяжелые условия, в которых работает кран: сильная запыленность, причем пыль электропроводная (металлическая, угольная), высокая влажность, загазованность, высокая температура окру 9
жающей среды и ее резкие колебания по длине пролета, большая интенсивность работы, характеризующаяся высокими продолжительностью и частотой включений ПВ 0,4.
Высокая производительность подъемно-транспортных механизмов может быть обеспечена только при условии использования совершенных, высоконадежных систем электропривода.
Ведущая роль в исследовании, разработке и внедрении принадлежит коллективам, заводу «Динамо», плодотворно работающим в этой области ученым МЭИ, Одесского, Харьковского, Уральского политехнических университетов, ГИИВТ и др. Из зарубежных краностроительных фирм можно выделить: «Demag», «Stahl», «Mahne» (Германия), «Matterson» (Великобритания), «Clevland», «Cutler-Hammer» (США), «Potain» (Франция), «IHI», «Mitshubi-shi» (Япония).
Значительное внимание вопросам совершенствования электроприводов кранов систематически уделялось на Всесоюзных научно-технических конференциях по проблемам автоматизированного электропривода. Весомый вклад в развитие теории и практики кранового электропривода своими работами внесли следующие ученые: Ключев В.И., Соколов М.М., Петров Л.П., Масандилов Л.Б., Шумков Е.Б., Герасимяк Р.П., Данилов П.Е., Бра-славский И.Я., Тищенко В.Н., Яуре А.Г., Певзнер Е.М., Шарифов З.Е. и др. [2; 25-27; 29; 30; 32; 35; 47-50; 53; 54; 66; 86; 87; 90;107; 109-111; 117; 119; 124; 153-157; 166; 173].
Большинство кранов металлургических предприятий имеют тяжелый режим работы, что делает практически невозможным использование в качестве электроприводов двигателей с короткозамкнутым ротором.
Стремление максимально упростить крановый электропривод, исключив в управлении асинхронным двигателем с фазным ротором громоздкую и ненадежную релейно-контакторную схему, привело к применению индук 10
ционных резисторов, включаемых непосредственно к выводам роторной обмотки [1; 3; 5; 7; 11; 17; 18; 23; 39-НЗ; 52; 67; 152]. Основное внимание в вышеперечисленных работах уделялось совершенствованию конструкций, улучшению весогабаритных показателей и исследованию статических и динамических свойств асинхронного двигателя с индукционным резистором. Рассмотренные в [166-І-169] работах энергетические показатели асинхронных электроприводов с индукционным резистором показывают, что они приблизительно одинаковы с асинхронными двигателями при ступенчатом пуске. Использование индукционных резисторов в системах с асинхронным двигателем с фазовым ротором для различных механизмов рассматривается в работах [44; 52; 65; 112; 169]. В частности, по исследованиям [112] показано, что применение индукционного резистора в электроприводах коксовых машин на АО «НЛМК» привело к уменьшению в шесть раз аппаратуры управления и в двенадцать раз затрат и обслуживание. Уточнению параметров индукционного резистора, их оптимизации, расчету статических характеристик асинхронного двигателя в различных системах электропривода, в том числе и тиристорных, посвящены работы [115; 125; 126; 152; 174;175; 179]. Проведенные в [168; 169] исследования показали, что однодвигательный асинхронный электропривод с индукционными резисторами в цепи ротора обладает некоторой демпфирующей способностью и позволяет снижать колебания гибко подвешенного на канатах груза.
Опыт эксплуатации, статистика ремонта оборудования и обследование механизмов мостовых кранов на металлургических предприятиях АО «НЛМК», АО «ЦЕНТРОЛИТ», ОАО «ТРУБНИК» [46; 69; 90; 107; 140-И 51] свидетельствуют о преждевременном выходе из строя элементов механизмов кранов из-за недолговечности. При этом интенсивно изнашиваются промежуточные валы, редукторы, муфты, металлоконструкции моста, реборды ходовых колес, подкрановые конструкции и электродвигатели. Анализ режимов работы кранов показал, что основной причиной выхода из строя элементов мостовых кранов и подкрановых конструкций является чрезмерно высокий уровень динамических нагрузок, особенно, при пусках и торможениях. На величину динамических нагрузок в значительной мере оказывают влияние следующие факторы: неравенство динамических моментов двигателей опор Mji Mj2; разница частот вращения роторов со і сог; отличие диаметров колёс из-за разной степени износа и допусков; наличие зазоров в кинематической цепи; упругие деформации валов и фермы моста; состояние подкрановых конструкций.
Проведение научных исследований, опыт эксплуатации [46; 69; 90; 107; 145; 150] и литературные данные по проблемам о долговечности кранов и подкрановых конструкций свидетельствуют, что учет соударения реборд ходовых колес или боковых роликов с головками рельсов при ударном замыкании зазоров между ними в значительной степени уточняют динамическую модель механизма передвижения крана Они показывают, что максимальное напряжение, создаваемое горизонтальным усилием, приложенным к головке рельса, более чем в три раза превышают напряжения, создаваемые из-за вертикальных усилий (горизонтальные усилия возникают при пусках и торможениях, они направлены вдоль рельсов и в общем случае стремятся перекосить кран; вертикальные усилия зависят от веса кранового моста, веса тележки, веса груза, смещения тележки относительно оси моста) [16].
С целью повышения надежности работы кранового оборудования необходимо существенно снизить максимальные динамические крутящие моменты и боковые нагрузки, действующие на мост крана и подкрановые конструкции при соударении реборд колес с рельсами.
Для решения этой проблемы необходим комплексный подход. С одной стороны, следует существующие приводные валы заменить на карданные [46; 178; 180], с другой - модернизировать существующие системы электроприводов, а также решительно внедрять на стадии проектирования новые системы автоматизированных электроприводов. Система управления электропривода передвижения моста должна быть адаптивной, параметры регулирующих элементов необходимо автоматически поддерживать на уровне, минимизирующем перекос крана [70; 153-И56; 158; 171]. Особый интерес представляет возможность использования демпфирующей способности электроприводов в сочетании с повышением плавности нагружения динамической системы, формированием различных законов переходных процессов электроприводов, практически не сопровождающимися механическими колебаниями.
В некоторых системах синхронизации асинхронного электропривода механизмов передвижения кранов используются схемы электрического вала [158; 159], основное достоинство которого состоит в простоте реализации, однако необходимость наличия датчиков положения, контролирующих предварительное состояние роторов двигателей относительно друг друга наложили ограничения на широкое применение этой системы в крановом электроприводе.
Разработка, анализ и исследование схем с вентильной системой синхронизации [70; 153ч-155; 171] показывают, что обеспечение снижения разницы значений частоты вращения роторов существенно сказывается на «забегании колес», перекосе крана и улучшение динамических показателей. Однако главным недостатком таких схем остается дискретное ступенчатое регулирование общего сопротивления, включенного в цепь мостовых выпрямителей роторов двигателей.
Следует отметить, что большинство перечисленных работ, связанных с использованием индукционных резисторов, посвящены электроприводам передвижения кранов, и лишь небольшая часть - электроприводу подъема. Недостаточно полно исследована динамика электропривода подъема с индукционным резистором, демпфирующая способность электропривода, возможности ограничения динамических нагрузок.
Возрастающие требования к производительности мостовых кранов и точности перемещения грузов приводит к необходимости расширять диапазон регулирования скорости электропривода подъема за счет применения более сложных систем управления. Для обеспечения жестких характеристик только при спуске груза используются схемы электродинамического торможения с самовозбуждением [24; 55; 65; 179], для которых налажено серийное производство систем электродинамического торможения для электроприводов подъема различной мощности.
Однако отметим, что асинхронные двигатели, применяемые в электроприводе подъема, как правило, без подпитки не самовозбуждаются, а ток подпитки составляет около тридцати процентов от номинального. Электродинамическое торможение реализуется с большим количеством контактор-ной аппаратуры, что делает эти системы более сложными и менее надежными, чем обычные релейно-контакторные схемы. Это обстоятельство затрудняет использование данных панелей на кранах, работающих в металлургии, и, таким образом, идея использования электродинамического торможения с самовозбуждением может стать привлекательной при применении индукционных резисторов.
Приемлемые механические характеристики при достаточно простой схеме управления (без тахогенератора), можно получить применением схем импульсно-ключевого управления, которым посвящены следующие публикации [110; 119; 153; 170; 171]. При этом, надо отметить, что все они, кроме [170], посвящены исследованию механизмов передвижения. В целом им-пульсно-ключевое управление электроприводом подъема исследовано недостаточно. Не использовано влияние периодических бросков электромагнитного момента асинхронного двигателя и пульсации скорости на динамику электропривода подъема мостового крана.
Импульсно-ключевое управление можно организовать в цепи выпрямленного тока ротора [53; 54; 60; 124], при этом следует отметить, что данные схемы исследованы наиболее полно. Однако их сложность также ограничивает использование на кранах металлургических комбинатов.
Одним из важных направлений в развитии кранового электропривода является система фазового управления. Основной частью таких систем является тиристорный регулятор - из трех, шести тиристоров с осуществлением регулирования в одной, двух, или трех фазах, а для получения характеристик требуемой жесткости используется обратная связь по скорости [35; 48; 49; 125; 177]. В основном, распространение получили системы с регулированием напряжения, подводимого к цепи статора. При этом имеет место более простая система управления, работающая при постоянной частоте напряжения.
Вместе с тем, в последнее время имеет место использование тири-сторных регуляторов в роторных цепях асинхронных двигателей [35; 49; 88]. Причем в этих случаях тиристоры работают в более благоприятных условиях. то есть значения du/dt и di/dt существенно меньше, меньшее значение имеют и токи короткого замыкания. Кроме того, при выходе из строя одного из тиристоров регулятора система, как правило, сохраняет работоспособность - тем самым повышается надежность электропривода. Однако отметим, что при этом система управления регулятора более сложна и при угловых скоростях, близких к синхронным, из-за низкой частоты коммутации, становятся существенными пульсации момента и скорости.
Совершенствование системы фазового управления происходит в направлении использования в силовых цепях и блоках управления новых полупроводниковых приборов. Применение микропроцессорных систем управления позволяет использовать фазовые регуляторы в электроприводе кранов, работающих в автоматизированных транспортно-накопительных системах. Вместе с тем, следует рассмотреть использование искусственной коммутации вентилей тиристорного регулятора с целью повышения энергетических показателей, с включением в цепь ротора вместо активных сопротивлений индуктивного резистора [126; 127].
Кроме того, известно применение в электроприводе подъема мостового крана асинхронно-вентильного каскада, достоинства которого общеизвестны [88; 164].
Перспективной системой электропривода для приводов кранов является система тиристорный преобразователь частоты - асинхронный двигатель [87; 88; 65; 170; 188]. Использование преобразователей частоты в электроприводах подъема металлургических мостовых кранов ограничивается невысокой надежностью, сложностью обслуживания и ремонта. Для электроприводов с глубоким регулированием скорости и повышенными требованиями к качеству переходных процессов электропривод с преобразователем частоты является вполне конкурентно способным.
Однако такие краны в металлургических предприятиях редки и в данной работе не рассматриваются.
Надежность и долговечность мостового крана зависит от величины максимальных динамических нагрузок в кинематической цепи. Поэтому очень важны исследования, проведенные по изучению нагрузок при совместной работе электропривода подъема и механической части [47; 50; 66; 69; 90; 173], базирующиеся на теоретических результатах анализа динамики электромеханических систем [33; 73].
Для существенного снижения динамических нагрузок при использовании релейно-контакторных схем управления асинхронным двигателем в [51; 90] рекомендуется исключить с помощью блокировок подъем груза с «подхватом» при работе двигателя на всех характеристиках, кроме самой мягкой. При оценке демпфирования асинхронного двигателя в [90] показано, что сила демпфирующего действия асинхронного двигателя обратно пропорциональна жесткости рабочего участка его механической характеристики, что является спорным [162]. Настоящая работа посвящена задаче снижения динамических нагрузок с помощью управления электроприводом. Для решения этой актуальной задачи требуется детальное изучение условий совместной работы электроприводов и упругих механических систем механизмов кранов. Следует отметить, что традиционные подходы, используемые при создании современных автоматизированных асинхронных электроприводов, построенных по экономическим принципам частотного управления, вентильного каскада и др., в сложных условиях эксплуатации металлургического производства при троллейном питании не обеспечивают надежной работы оборудования. До настоящего времени известны лишь единичные примеры практического их использования с большими проблемами при эксплуатации.
В связи с этим решение проблемы повышения работоспособности и улучшения динамических свойств электромеханических систем, с учетом сложных, противоречивых и своеобразных требований, предъявляемых к ЭП подъемно-транспортных механизмов, представляет собой сложную и весьма важную для практики задачу.
Научно-исследовательские работы, направленные на исследование динамических свойств двухмассовых электромеханических систем и по-дьемно-транспортных механизмов, разработка и внедрение новых систем электроприводов проводились кафедрой «Электропривода и автоматизации промышленных установок» Липецкого политехнического института совместно с Новолипецким металлургическим комбинатом по различным координационным планам министерств под руководством и при непосредственном участии автора.
Цель работы
Развитие теории электроприводов с упругими механическими связями и создание на ее основе простых и высоконадежных систем управления электроприводов, обеспечивающих ограничение динамических нагрузок механической части подъемно-транспортных механизмов и повышающих за этот счет их долговечность при интенсивных повторно-кратковременных режимах работы в сложных условиях металлургического производства.
Основным содержанием работы является всестороннее развитие в теоретическом и практическом плане двухмассовых последовательных и параллельных электромеханических систем и определение целесообразности и эффективности применения разработанных электроприводов на различных механизмах.
Методы исследования
В теоретических исследованиях основывались на элементах дифференциального исчисления и теории функций комплексного переменного, корневых и частотных методах теории автоматического регулирования, теории матриц, теории устойчивости движения, теории оптимального регулирования, методах математического моделирования динамических процессов с помощью ЭВМ, экспериментальных исследованиях на лабораторных установках и действующих механизмах. Для реализации этих методов автор опирался на фундаментальные труды отечественных и зарубежных ученных в области автоматизированного привода ЭМС с упругими механическими связями.
Новые научные положения, выносимые на защиту
1. В работе обоснована возможность представления широкого класса механизмов (передвижения и подъема технологических, ремонтно-монтажных и разливочных мостовых кранов, подъемников УСТК, угольных перегружателей и т.д.) обобщенными расчетными схемами в двух-, трех- и многомассовыми вариантах и показано, что рассчитанные на основе этих схем динамические нагрузки будут близки к реальным. Результаты анализа динамических нагрузок позволяют выявить требования к электроприводу и обосновать рациональные технические решения.
Показано, что большому числу производственных механизмов соответствуют обобщенные расчетные схемы двухмассовых последовательных и параллельных электромеханических систем при использовании в качестве основы обобщенного уравнения линеаризованной динамической механической характеристики электроприводов постоянного и переменного тока.
2. Установлена однозначная взаимосвязь между непосредственной оценкой демпфирующей способности электропривода с помощью логарифмического декремента и косвенной с помощью коэффициента электромеханической связи. Это позволило с использованием простого математического аппарата производить анализ и оптимизацию электромеханической связи в сложных замкнутых системах автоматизированного электропривода.
3. Получены универсальные зависимости демпфирующей способности от обобщенных параметров электроприводов для двухмассовой электромеханической системы. Доказано, что максимальное и предельное демпфирование в разомкнутой системе управляемый преобразователь -двигатель и в замкнутой системе при безынерционном преобразователе определяется лишь соотношением инерционных масс, соответствует коэффициенту электромеханической связи, равному единице и не зависит от способа реализации.
Установлено, что в разомкнутом электроприводе с двухмассовой параллельной электромеханической системой с увеличением жесткости механических характеристик демпфирование неограниченно возрастает. В электроприводе, замкнутом по разности скоростей двигателей, демпфирование возрастает с ростом коэффициента синхронизации даже при абсолютно мягкой механической характеристике. 4. Установлено, что базовые системы электроприводов, используемые в ПТМ крупномасштабного металлургического производства, не удовлетворяют требования ограничения динамических нагрузок. Показано, что их снижение может быть осуществлено не только за счет дорогостоящей современной техники, но и при использовании оригинальных решений, основанных на разработанной теоретической базе.
5. На основе сформулированной концепции разработана и исследована гамма электроприводов в двухмассовых последовательной и параллельной электромеханических системах:
- система, ограничивающая динамические и электрические нагрузки в двигательном и тормозном режимах с асинхронным электроприводом и механической характеристикой экскаваторного типа на основе принципиально неуправляемых вентильных схем и индукционных резисторов с явно выраженной нелинейной зависимостью параметров от скольжения и тока нагрузки;
- системы выбора провиса каната в приводах подъема мостового крана, подъемника УСТК за счет уменьшения скорости холостого хода электропривода при ключевом управлении асинхронным электроприводом с вентильно-емкостным преобразователем и сниженными бросками моментов;
- адаптивная система двухдвигательного электропривода, изменяющая параметры регулирующих устройств таким образом, чтобы линеаризовать перекос крана, с формированием механических характеристик экскаваторного типа и реализацией требуемой демпфирующей способности; - система и принцип синхронизации вращения двигателей двухдвигатель-ного электропривода со свойствами электрического вала с основными рабочими машинами и автоматическим включением только в пусковых и тормозных режимах.
Практическая ценность и реализация работы
Основной практический результат состоит в получении обобщенных универсальных зависимостей, позволяющих определять динамические свойства электропривода с упругой механической связью по известным параметрам системы. Это позволило в условиях действующего крупномасштабного металлургического производства выявить причины неэффективной работы группы подъемно-транспортных механизмов. Разработаны инженерные методы и технические средства оптимизации электроприводов с упругой механической связью по критерию минимума колебательности в переходных процессах. Созданы предпосылки промышленного внедрения в России новых систем электроприводов, позволяющих ограничивать динамические нагрузки для группы подъемно-транспортных механизмов, работающих в сложных условиях металлургического производства при троллейном питании; экспериментально подтверждена их эффективность.
Реализация и внедрение результатов
Использование теоретических и экспериментальных результатов работы ведущим институтом в области подъемно-транспортного машиностроения ВНИИПМАШ и принятое им решение по реконструкции крановых ЭП на основе замены типовых резисторов на индукционные резисторы позволило модернизировать системы электроприводов в копровом цехе АО «НЛМК» на пятидесяти четырех механизмах передвижения и главных подъемов технологических кранов. В ЛПЦ-3 АО «НЛМК» внедрены три схемы регулируемого асинхронною ЭП на механизмах главных подъемов и передвижения тележки с импульсно-ключевым управлением ремонтно-монтажных кранов.
Разработанные методы расчета и оптимизации параметров ЭП крановых механизмов, выполняемые по координационному плану Минчермета под руководством автора, используется в практике проектирования при модернизации ЭП механизмов кранов следующими металлургическими предприятиями: АО «НЛМК», ОАО ЛМЗ «Свободный сокол», Таганрогским заводом, АО «Центролит», АО «Трубный завод», АО «Липецкий тракторный завод» и могут найти применение организациями других отраслей. Результаты также используются в учебном процессе в виде лекций, в курсовом и дипломном проектировании, в лабораторных работах в ЛГТУ и ряде других учебных заведений.
Апробация работы
Основное содержание работы отражено в 86 печатных работах, из них: два учебных пособия, сорок статей, девятнадцать тезисов докладов на конференциях, двадцать шесть авторских свидетельств. Основные положения докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях по автоматизированному ЭП (Баку, 1972; Таллин, 1975; Алма-Ата, 1983; Воронеж, 1987); Всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы электрических машин и электроприводов» (Днепродзержинск, 1985); Всесоюзном научно-техническом совещании «Регулируемые электродвигатели переменного тока» (Владимир, 1987); восьмой Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в электростроении» (Иваново, 1989); второй Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы развития и совершенствования подьемно-транспортной, складской техники и технологии» (Москва, 1990); четвертой Всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» (Бишкек, 1991); первой Международной конференции по электротехнике и электротехнологии (Суздаль, 1994); Юбилейной научно-технической конференции ЛГТУ (Липецк, 1999).
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано семьдесят четыре работы, в том числе учебные пособия, статьи в журналах «Электричество», «Электротехника», «Электромеханика», «Промышленная энергетика», «Техническая электродинамика», публикации в трудах научно-технических конференций и в сборниках научно-технических трудов.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 272 страницах основного текста, содержит 88 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 180 наименований.
Типовые расчетные схемы механической части подъемно-транспортной группы электроприводов на металлургических предприятиях
Рассмотрим несколько примеров наиболее характерных механизмов, работающих в металлургии, на первый взгляд значительно отличающихся друг от друга, как по своему назначению, так и по их конструктивному исполнению, но имеющих при определенных допущениях приблизительно одинаковую расчетную ЭМС. Самым универсальным и широко распространенным в промышленности, считающимся одним из основных средств механизации и автоматизации производственных операций, нагрузочно-разгрузочных и складских работ, является мостовой кран. В копровых цехах они относятся к основному технологическому оборудованию, а их численность составляет около восьмидесяти единиц. Мостовой кран состоит из трех основных механизмов - моста, тележки и подъема.
Мост представляет собой металлическую раму, содержащую две пролетные балки 3 и концевые балки 4 и установленное на ней оборудование. На мосту установлены шкаф с аппаратурой системы управления, командо-контроллер, устроенный в кабине крановщика. На ферме моста расположена также тележка 2, которая перемещается вдоль моста и имеет в своем составе подъемную лебедку (привод подъема). Общий вид механизма передвижения моста рис.1 включает в себя два (на кранах большой грузоподъемности четыре и более) одинаковых привода, основными элементами которых являются двигатель 5, промежуточный вал 6, редуктор 7, муфты 8, 7 8 6 тормоз 9, ведущее 10 и ведомое колесо 11, движущиеся по рельсам. Кинематическая схема составленная на основании общего вида, будет выглядеть как [46], на рис.2. Схематично механизм подъема изображен на рис.3, в котором: 1 - мост крана, 2 - тележка, 3 - двигатель, 4 - промежуточный вал, 5 - соединительная муфта, 6 - колодочный тормоз, 7 - редуктор, 8 -зубчатое колесо №K2 К Рис.2. Кинематическая схема механизма передвижения моста мостового крана редуктора, 9 - барабан, 10 - канаты с крюком или грейфером, или магнитом, или разливочным ковшом (отсюда и классификация мостовых кранов: грейферный, магнитный, разливочный). Подъемник УСТК предназначен для подъема и передвижения контейнера с коксом. На рис.4 представлена кинематическая схема механизма подъема, в которой имеют место следующие элементы: М-два или четыре одинаковых двигателя работающие через валы и редукторы Р на общий барабан Б, соединенный при помощи палис-паст П и канатов К с контейнером с коксом. Половина кинематической схемы механизма передвижения УСТК изображена на рис.5, при этом количество двигателей колеблется от двух до восьми, которые через редуктор приводят в движение рабочие колеса, являющиеся ведущими, в результате чего тележка с контейнером перемещается по рельсам к коксовым батареям. Особенностью механической части перегружателей угольных или рудных является то, что вместо моста используется труба большого диаметражащая основной несущей конструкцией, и в ней размещается все оборудование (тонный двигатель, генератор, магнитный усилитель, шкаф с аппаратурой управления). Ширина крана составляет более восьмидесяти метров, и его перекос и вибрации являются одной из главных проблем по увеличению динамических нагрузок и возникновению трещин.
Подъемно-поворотные столы осуществляют перераспределение рулонов, поступающих с моталок в листоотделку, либо в ЛПП на обработку под автомат, либо на склад. В состав кинематической схемы входит люлька, в которую поступает рулон, гидравлический подъемник, который его приподнимает, и электрический привод, разворачивающий поворотный стол на угол, необходимый для погрузки рулона на другой непрерывный конвейер. Стол соединен с двигателем с помощью длинного вала через редуктор. Таких примеров подъемно-транспортной группы механизмов работающих на металлургическом комбинате множество.
Оценка демпфирующей способности двухмассовой ЭМС при Тэ=0 54
Учет индуктивности якоря исследуемой системы целесообразно начать с многочисленной группы производственных механизмов, обладающих повышенным моментом инерции.
Известно, что при у 5 массы механизма практически не участвуют в механическом колебательном процессе, который определяется, главным образом, инерцией двигателя и упругостью электромеханической связи. При этом динамические свойства двухмассовой системы практически не отличаются от соответствующих свойств системы с у = оо, т.е. одномассовой с жесткой заделкой вала механизма. И в этом случае совместное решение системы уравнений (18) позволит получить также характеристическое уравнение третьего порядка (19), и X следует рассчитывать по (20) с учетом того, что выражение для коэффициентов А и В запишутся в виде [75; 131]:
Анализируя (20), (24) и (25), можно установить, что максимум логарифмического декремента при у 5 зависит только от обобщенного пара метра 0 = T3TMQ12 = T3TMQ0, т.е. оптимальная жесткость механической характеристики пропорциональна частоте свободных колебаний упругой системы [75; 77; 131; 134].
На рис.17; 18; 19 сплошными линиями представлены полученные в большом объеме с помощью ЭВМ расчетные зависимости X = f (р) при различных значениях Тэо и Тмо = 0,03с. Рассматривая эти кривые нетрудно видеть, что индуктивность якорной цепи оказывает весьма существенное влияние на демпфирующую способность ЭП, т.е. она увеличивает склонность к колебаниям самого двигателя, который при определенных сочетаниях Тэ и Тм приобретает свойства колебательного звена. линиями, то можно заметить, что индуктивность якорной цепи ослабляет демпфирование тем в большей степени, чем выше Q0. При низких же частотах свободных колебаний влиянием индуктивности можно пренебрегать.
В этом случае, на основании полученных X = f (р) при различных значениях ТЭ0,ТМ0 и Q0, можно построить универсальную зависимость опт = гХТэоТмо о) = f()(pHC.16), которую можно, так же, как и в предыдущем случае, представить в следующем виде:
Таким образом, электромагнитная инерция при у = х является фактором, ухудшающим демпфирование, поэтому при 0 2 реализовать эффективное затухание электромеханических колебаний затруднительно.
Анализ показывает, что логарифмический декремент позволяет непосредственно анализировать характер процессов и оптимизировать электромеханическую связь. Однако область рационального использования его в инженерных расчетах ограничена, как правило, простейшими системами ЭП, динамика которых описывается дифференциальным уравнением не выше четвертого порядка.
Непосредственная оценка динамических свойств по резонансным пикам амплитудно-частотных характеристик также связана, при высоком порядке характеристического уравнения, с весьма громоздкими расчетами.
Для автоматизированного ЭП особый интерес представляет косвенная оценка с помощью коэффициента электромеханической связи кэс, пред ложенного профессором Ключевым В.И. (МЭИ).
Косвенный критерий оценки демпфирующей способности с помощью коэффициента электромеханической связи не требует определения корней характеристического уравнения, позволяет устанавливать зависимость электромеханической связи от параметров системы с помощью простого аналитического выражения:
Коэффициент электромеханической связи [71] непосредственно не характеризует демпфирующего действия ЭП, а лишь отражает степень электромеханической связи в системе электропривода при колебаниях с частотой Q12. Поэтому количественные оценки динамики ЭП по значению кэс достаточны для решения вопроса о возможности пренебрежения или необходимости учета электромеханической связи. Однако наличие однозначной зависимости между логарифмическим декрементом и коэффициентом электромеханической связи позволяет достаточно просто оценить динамические свойства исследуемой системы и установить количественное соотношение между логарифмическим декрементом и коэффициентом электромеханической связи. Значение такой связи может быть полезным при косвенной оценке демпфирующей способности электроприводов в случаях, когда динамическая механическая характеристика имеет более сложный вид и характеристическое уравнение более четвертого порядка.
Анализ динамики в системе УП-Д с обратной жесткой и гибкой связью по току
Разомкнутая система составляет основу замкнутой системы электропривода и, в большинстве случаев, ее динамические свойства оказывают определяющее влияние на динамические свойства последней. Учет обратных связей и инерционностей в цепи регулирования осложняет анализ динамики и затрудняет получение обобщенных результатов. В связи с этим, значительный практический интерес представляет использование полученных при анализе разомкнутой системы материалов для исследования динамических свойств и синтеза замкнутых систем электропривода с упругой механической связью. Поэтому в работе были исследованы наиболее употребительные обратные связи, не требующие применения специальных датчиков, к числу которых относятся жесткие и гибкие обратные связи по току якоря (моменту) и скорости вала двигателя.
Характеристическое уравнение и выражение коэффициента электромеханической связи при Тэ=0 и безынерционном преобразователе на основании (32) будут иметь вид:
Анализ (58) и (59) для автоматизированного ЭП с жесткой обратной связью по току показал, что влияние к на демпфирующие свойства аналогично изменению сопротивления якорной цепи. Убедиться в этом можно построив ряд зависимостей A, = f(k 0T) и кэс = f(k 0T) при аналогичных у. На рис.35, 36, 37 приведены кривые, характеризующие непосредственную демпфирующую способность с помощью X и косвенную кэс. При этом нетрудно заметить, что максимальное значение логарифмического декремента, как и в разомкнутой системе, зависит только от соотношения инерционных масс. Поэтому универсальная зависимость А.опт =f(y) рис.16 и ее математическое описание (22) будут приемлемыми и для замкнутой системы при Тэ=0 и Тп=0. Значения кЭс.опт также, как и Хот зависят только от у, т.е. существует однозначная связь при одинаковых обобщенных параметров между логарифмическим декрементом и коэффициентом электромеханической связи.
Учет инерционности якоря проведем для инерционных механизмов. Совместное решение системы (18) позволяет получить характеристическое уравнение и выражение для кэс в следующем виде:
На рис.38,39 сплошными линиями представлены зависимости А, = f (к от), построенные по (60). При этом установлено, что максимумы логарифмических декрементов зависят только от обобщенного параметра 0 = ТмОТяООо, как в случае разомкнутой системы. Анализ кривых, изображенных пунктирными линиями k3C=f(k 0T), показывает, что и в этом случае существует однозначная связь между А,опт и кэс.опт- Поэтому построенные универсальные зависимости оптимального демпфирования на рис. 16 можно использовать и для замкнутой системы.
Анализ полученных результатов для автоматизированного ЭП с жесткой обратной связью по току показал, что влияние ее на демпфирующие свойства аналогично изменению суммарного сопротивления якорной цепи системы 1 + к'от = р. Однако, следует отметить и определенные физические различия между влиянием обратной связи по току и влиянием сопротивления якорной цепи [77; 162].
Введение сопротивления в якорную цепь увеличивает в ней потери энергии от статической нагрузки привода. При введении отрицательной обратной связи по току потери в силовой цепи, обусловленные статической нагрузкой, остаются неизменными, а энергия механических колебаний может частично поглощаться сетью, особенно в зоне оптимального демпфирования. Уменьшение ТЭЕ цепи при этом достигается за счет форсирования процессов изменения тока, обусловленных соответствующими изменениями ЭДС преобразователя.
Таким образом, при безынерционном преобразователе анализ демпфирующей способности электропривода с обратной связью по току может быть проведен по методике, разработанной для анализа демпфирующей способности разомкнутой системы ЭП [77].
Проблемы ограничения динамических нагрузок и пути ее решения
При анализе ограничения динамических нагрузок ЭМС необходимо выделять те факторы, которые являются наиболее опасными для работы механизмов передвижения. Установлено, что преждевременному выходу из строя элементов механизмов кранов и подкрановых конструкций способствует чрезмерно высокий уровень динамических нагрузок, особенно при пусках, реверсах и торможениях. При этом интенсивно изнашиваются промежуточные валы, редукторы, муфты, металлоконструкции мостов, реборды ходовых колес, подкрановые конструкции и электродвигатели. На величину динамических нагрузок влияют следующее основные факторы: а) несовершенство системы управления электроприводами; в) наличие упругих элементов; в) зазоры в кинематических цепях, в частности, редукторов и реборды ко лес - рельсы; г) перекос фермы моста.
Многочисленными исследованиями установлено, что самым эффективным способом снижения динамических нагрузок, а, следовательно, и повышения долговечности работы механизмов передвижения кранов и подкрановых конструкций является модернизация существующих электроприводов и внедрение новых [46; 69; 90; 91; 156], обеспечивающих снижение разницы значений скорости вращения роторов двигателей. Система управления электроприводами передвижения моста должна быть адаптивной, параметры регулирующих элементов необходимо автоматически поддержи вать на уровне, минимизирующем перекос крана. В механической части -снизить угловые зазоры можно путем замены существующих приводных валов на стандартные карданные. Кроме того, приведенный в работе теоретический и экспериментальный материал показывает, что использование демпфирующей способности электроприводов в сочетании с повышением плавности нагружения механической части позволяет формировать переходные процессы ЭП, практически не сопровождающиеся механическими колебаниями.
В асинхронных электроприводах различных механизмов, работающих в условиях металлургического производства и не требующих регулирования скорости, например, технологические краны, нашли широкое применение индукционные резисторы (ИР). Их достоинства общеизвестны -простота конструкции, высокая надежность, малые затраты на изготовление и обслуживание. Однако отечественная промышленность серийно ИР не выпускает, поэтому приходится изготавливать их в условиях электроремонтных цехов предприятий, исходя при этом из имеющихся в наличии материалов, экспериментально подбирая основные размеры магнитопровода и число витков, предварительный расчет которых трудоемок и требует определенного опыта. Упрощенное же вычисление параметров, как правило, дает только приближенные результаты.
Теоретические основы расчета процессов в ферромагнитных телах разработаны в [105]. В [40] приведен расчет эквивалентного сопротивления. Расчет самих конструкционных параметров для получения заданной величины сопротивления тока и пускового момента из-за нелинейности цепей сложен и производится с помощью ряда последовательных приближений.
Основной долей из полного сопротивления ИР, являются активное и индуктивное сопротивления, вызванные протеканием вихревых токов в ферромагнитном сердечнике, значение которых зависят от частоты тока ротора, т.е. от скольжения, которое изменяется в процессе пуска от единицы до нуля. Поэтому ИР при пуске и торможении автоматически меняет свое сопротивление, и в силу этого отпадает необходимость в пусковых и тормозных ступенях сопротивлений и самой релейно-контакторной схеме управления. При малых статических нагрузках на электродвигатели, к примеру, механизмы передвижения мостовых кранов, ИР могут оставаться в работе и в установившихся режимах, так как при небольших скольжениях механические характеристики будут иметь приемлемую статическую жесткость, что практически не скажется на производительности механизмов и максимально упростит систему управления электроприводом. В случае, если необходима максимальная жесткость механических характеристик, то ИР можно шунтировать с помощью контактора или бесконтактных тири-сторных ключей и получать естественные характеристики. Однако в электроприводе подъема такой необходимости нет из-за того, что при существующей реостатной схеме пуска, последняя ступень остается постоянно включенной в роторную цепь с целью снижения бросков тока. Обмотки ИР изготавливаются обычно из медного провода круглого или прямоугольного сечения и наматывается в один слой (для обеспечения лучшей теплоотдачи) всплошную или принудительным шагом. Известно, что глубина проникновения электромагнитного поля в массивный ферромагнитный материал составляет несколько миллиметров, что позволяет использовать в качестве стержней обычно малоуглеродистые трубы, а в качестве ярма швеллеры или стальные пластины около шести миллиметров.
