Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Одним из основных путей еализации в горнодобывающих отраслях промышленности онцепции повышения эффективности производства является альнейшая интенсификация горных работ на основе повышения ющности, надежности и производительности горных машин (ГМ), есперебойности электроснабжения приводов ГМ и комплексов, рименения современных средств управления и защиты.
Основными направлениями совершенствования
лектромеханических систем (ЭМС) горных машин,
беспечивающими повышение их производительности и надежности, вляются повышение единичной мощности асинхронных двигателей АД), применение многодвигательного электропривода(ЭП), ;овыщение номинального напряжения шахтной участковой сети и лучшение структуры ЭМС горных машин на базе применения регулируемого ЭП и оптимизация режимов его работы.
В настоящее время установленная единичная мощность АД с
шдкостным и водяным охлаждением, применяемых в ГМ, достигла
20-400 кВт и ее дальнейшее повышение сдерживается существующими
(граничениями на габариты АД из-за их применения на машинах,
«аботающих в стесненных условиях горных выработок.
Остановленная мощность многодвигательного ЭП очистных
:омбайнов (ОК) и конвейерных установок достигла 420-790 кВт.
Эднако в последнее время темпы роста производительности ГМ упали
і стали равны или ниже, чем темпы роста мощности ЭП. Такая
енденция обусловлена частично ухудшением горно-геологических
'словий эксплуатации ГМ и несоответствием механических характери-
:тик применяемого привода характеристикам исполнительных
)рганов ГМ. Увеличение номинального напряжения шахтной уча-
ггковой сети до 6 кВ позволяет повысить пропускную способность
иахтной сети, обеспечить достаточные уровни напряжения при работе
\ пуске мощных АД. Данное направление совершенствования ЭМС
хэрных машин является перспективным и самостоятельным.
Наиболее перспективными направлениями повышения
троизводительности и надежности ГМ в настоящее время являются ;овершенствование структуры ЭМС на базе применения частотно-регулируемого электропривода (ЧЮП) и оптимизация режимов его работы. Однако применение ЧРЭП в ГМ при работе в подземных условиях связано с тяжелыми режимами работы, характерными частыми пусками и перегрузками по моменту. При этом ГМ имеют в
своем составе упругие звенья, в том числе с переменной жесткостью приводящие к колебаниям моментов и скоростей, а также нелинейны] нестационарный, случайный характер сил сопротивлени: приводящий к перегрузке ЭП и частой работе на упо] Вышеуказанное приводит к частым отказам ГМ, снижению и производительности.
Указанные особенности требуют создания специальных методе и средств управления ЭП с преобразователем частоты (ПЧ обеспечивающих повышение эффективности работы ГМ. Кроме топ применение ЧРЭП в шахтной сети из-за наличия ПЧ приводит появлению в шахтной сети участков различного рода тока, чт требует создания специальных средств защиты сети от аварийны режимов и утечки на землю, обеспечивающих безопаснуї эксплуатацию ГМ. Решение вопросов создания средств управления защиты ЭП невозможно без познания реальных переходны процессов, происходящих в ЭМС с ПЧ горных машин, что требуе разработки математических моделей элементов ЭМС и установлени закономерностей формирования переходных процессов.
Так как ЭМС с ПЧ является новым видом систем для ГМ, то пр их исследовании и проектировании ранее отсутствовал системны подход и решались только частные задачи ЭП, причем без учет электромагнитных процессов в АД, насыщения магнитной цепи ДА ступенчатого характера формирования напряжения на выходе ПЧ случайного характера возмущений, переменной величины жесткосп упругого звена, и практически не рассматривались вопросі электробезопасности.
В связи с вышеизложенным развитие теории, обосновани методов и разработка технических средств управления и защиты обеспечивающих повышение производительности, надежности і безопасности ЭМС горных машин с преобразователями частоты нелинейными, упругими механическими системами, нестационарными, случайными моментами сопротивления, являете актуальной научной проблемой, имеющей важное социальное і хозяйственное значение.
СВЯЗЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ С ГОСУДАРСТВЕННЫМИ НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ. Актуальность данной работь подтверждается тем, что она выполнена в соответствии с целевоі отраслевой программой Ц600503 Минуглепрома СССР (1981-198: г.г.), целевой комплексной программой Ц601148 (1986-1992 г.г. Минуглепрома СССР, научно-технической отраслевой программоі Госагрохима (приказ № 01-439 от 11.02.92 г.), отраслевой научно технической программой Минтопэнерго России "Уголь России" проект № 12(1993- 1994 г.г.).
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является установление основных шсимостей и закономерностей функционирования ЭМС горных шин с преобразователями частоты в установившихся и переходных оцессах с учетом наличия упругих элементов в механических частях, стационарности и нелинейности сил сопротивления на гтолнительном органе и разработка на этой основе методов и шических средств управления и защиты ЭМС, что позволяет высить производительность, надежность и безопасность сплуатации горных машин.
ИДЕЯ РАБОТЫ состоит в том, что повышение оизводительности, надежности и безопасности эксплуатации ЭМС рных машин с преобразователями частоты достигается за счет именения соответствующих методов, способов и средств управления защиты, учитывающих наличие упругих элементов с переменной :сткостью в механической части, нестационарный, нелинейный рактер сил сопротивления на исполнительном органе, повторно-атковременный режим работы и наличие участков различного рода ка в шахтной сети.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА іЩИТУ:
1. Математическая модель электромеханической системы ГМ с
іеобразователем частоты, учитывающая нелинейность магнитной
пи намагничивания АД, ступенчатый характер изменения
іпряжения на выходе ПЧ, нелинейный и случайный характер сил
противления на исполнительном органе машины и переменную
четкость упругого звена.
-
Вероятностная математическая модель и закономерности ігружения ЭП очистного комбайна, отражающие факторный и >еменной аспекты их формирования, использование которых їеспечивает более точный расчет параметров ЭП и возможность эогнозирования нагрузки.
-
Метод построения адаптивных систем автоматического іравления (САУ) ЭП с упругим звеном (УЗ) с переменной есткостью, отличающихся изменением параметров регулятора істотьі и корректирующих обратных связей в функции величины есткости, обеспечивающий неизменный предельный апериодический греходный процесс скорости исполнительного органа ГМ при іравляющих и возмущающих воздействиях независимо от жесткости 3.
Способы управления многодвигательным частотно-регулируемым іектроприводом OK, основанные на согласовании механических ірактеристик ЭП и исполнительного органа ГМ путем
изменения при пуске ЭП начальной частоты и интенсивно! изменения частоты напряжения питающего АД в функции от тока г снижения скорости перемещения ОК до нуля при перегрузке с реверса подачи для снятия перегрузки, с последующим обрати подводом исполнительного органа (ИО) к забою с регулируем интенсивностью изменения скорости перемещения, ограничь динамических нагрузок привода переводом АД в генераторный реж при стопорений ИО, обеспечивающие повышение надежности быстродействия электропривода.
-
Способ автоматического подключения выбегающего АД резервному ПЧ, основанный на согласовании положен вращающихся векторов напряжения ПЧ и э.д.с. АД и формировав магнитного потока АД перед и после подключения к ПЧ, обеспе1 вающий повышение надежности системы "сеть-ПЧ-АД" пут снижения ударных токов и моментов при подключении.
-
Метод выявления короткого замыкания (к.з.) в кабельи линии между преобразователем частоты и асинхронн: электродвигателем, основанный на контроле и сравнении параметр характеризующих направление потоков энергии в ПЧ и А обеспечивающий применение ЭМС с ПЧ в протяженных шахтн сетях.
-
Метод изменения частоты переменного оперативного тс УЗО, отличающийся тем, что частота оперативного тока изменяс пропорционально относительной частоте напряжения на выходе Г причем коэффициент пропорциональности дискретно изменяется функции диапазона частот ПЧ.
ПОДТВЕРЖДАЮТСЯ: представительным объемом статистическс материала, позволившим получить оценки результатов исследовани доверительной вероятностью не ниже 0,9; обработкой статистическ данных исследования с помощью методов теории вероятностей теории случайных функций; удовлетворительной сходимост результатов аналитических исследований с результата экспериментов, выполненных на машинах, работающих производственных условиях (относительная погрешность превышает 12% при доверительной вероятности 0,S положительными результатами внедрения и эксплуатации частоті регулируемого электропривода очистного комбайна, конвейернс питателя, породной канатной дороги, гранулятора с автоматическ переключателем нагрузки.
- разработке математической модели электромеханической
системы ГМ для исследований переходных процессов в нормальных и
аварийных режимах работы, учитывающей нелинейность магнитной
цепи АД, ступенчатый характер изменения напряжения на выходе ПЧ,
нелинейный характер сил сопротивления на ИО механизма,
переменную жесткость упругого звена;
- установлении зависимостей параметров динамики нагружения
ЭП очистных комбайнов от режима работы комбайна и условий
эксплуатации электрооборудования;
- установлении зависимостей параметров, характеризующих,
неравномерность изменения скорости подачи и момента
электродвигателя резания, от жесткости упругого звена и параметров
комбайна;
разработке метода стабилизации динамических свойств ЭП с упругим звеном с переменной жесткостью и установлении зависимостей, по которым необходимо изменять параметры регуляторов и корректирующих звеньев САУ, реализующей метод, от величины жесткости;
установлении закономерностей неравномерного нагружения двухдвигательного асинхронного ЭП с питанием двигателей от общего ПЧ с изменением нагрузки на валу и частоты питающего напряжения и разработке метода выравнивания нагрузки;
установлении зависимостей параметров переходного процесса подключения выбегающего АД к резервному ПЧ от условий подключения;
установлении зависимостей параметров переходного процесса при трех- и двухфазных коротких замыканиях в кабельной линии между ПЧ и АД от частоты напряжения ПЧ и длины кабельной линии и разработке метода выявления данных режимов;
установлении закономерностей формирования токов утечки в шахтной сети с ПЧ на участке изменяющейся частоты в режимах без компенсации, со статической и автоматической компенсацией емкостной составляющей первой гармоники тока утечки.
Научная новизна работы подтверждена 28 авторскими свидетельствами СССР.
НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ состоит в разработке математической модели ЭМС горной машины с преобразователем частоты, учитывающей дискретный характер вращения вектора напряжения ПЧ, нелинейности сил сопротивления и магнитной цепи АД, переменную жесткость упругого звена; установлении
зависимостей параметров нагружения ЭП очистных комбайнов о условий эксплуатации и разработке метода расчета перегрузочно способности АД; установлении зависимостей параметров, xapaктep^ зующих неравномерности изменения скорости подачи и момент электродвигателя резания, от жесткости упругого звена; разработк метода стабилизации динамических свойств ЭП с упругим звеном переменной жесткостью и установлении зависимостей параметро регулятора и корректирующих обратных связей в функции жесткостт установлении оптимальной структуры регулятора тока резана обеспечивающего минимум среднеквадратической ошибки установлении закономерностей нагружения двухдвигательноп асинхронного ЭП с питанием от общего ПЧ и разработке метод выравнивания нагрузки; установлении зависимостей параметро переходного процесса подключения выбегающего АД к резервном ПЧ от условий подключения и разработке способа безударноп подключения с формированием магнитного потока АД; установленні закономерностей формирования токов трех- и двухфазного короткой замыкания в кабеле между ПЧ и АД и разработке метода выявлени; данных режимов; установлении зависимостей тока утечки в сети і переменной частотой от параметров изоляции сети и режима нейтралі сети, - что в совокупности является новым вкладом в развитие теорш электротехнических и электромеханических комплексов и систек горных предприятий.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается і разработке: методики расчета адаптивной параметрической СА!» ЧРЭП с упругим звеном с переменной жесткостью, обеспечивающее неизменный апериодический переходный процесс скорости ИС горных машин при управляющих и возмущающих воздействиях методики синтеза логических блоков системы управления ЧРЭГ горных машин; рекомендаций по оптимальным параметрам частотно регулируемого ЭП механизма подачи очистных комбайнов; методик расчета параметров регулятора нагрузки электродвигателя резани? комбайна; методики расчета статических экскаваторных характеристик частотно-регулируемого ЭП горных машин; методики расчета токов короткого замыкания и тока однофазной утечки е кабельной линии между ПЧ и АД; методики расчета новых устройств определения положения вращающихся векторов напряжения ПЧ и э.д.с. АД и датчика аварийного состояния ПЧ; новых технических средств: ЧРЭП механизма подачи ОК и ЧРЭП породной канатной дороги с адаптивными САУ, параметры которых изменяются в функции жесткости УЗ; САУ режимами работы многодвигательного ЭП очистного комбайна и питателя шахтной мельницы; оптимального
ггулятора тока резания очистного комбайна с переменным ээффициентом усиления; автоматических переключателей :инхронной нагрузки с устройствами контроля положения эащающихся векторов э.д.с. АД и напряжения ПЧ и датчиком зарийного состояния; защиты от аварийных режимов кабельной инии между ПЧ и АД; устройства защитного отключения для сети с [Ч.
Методика расчета адаптивной САУ с переменной жесткостью 3 использована при проектировании ЧРЭП породной канатной ороги и ЧРЭП механизма подачи комбайна КШ1КГУ с тяговой епью. ЧРЭП породной канатной дороги с адаптивной САУ внедрен а шахте "Дубовская" АО "Тулауголь" с годовым экономическим эф-ектом (далее - цены июня 1995 г.) 120,51 млн. руб. Годовой кономический эффект от внедрения ЧРЭП механизма подачи омбайна КШ1КГУ с тяговой цепью с адаптивной САУ составляет 3,18 млн. руб.
Методики расчета статических экскаваторных характеристик [РЭП, параметров регулятора нагрузки электродвигателя резания, интеза логических блоков системы управления и рекомендации по птимальным параметрам ЧРЭП использованы при проектировании [РЭП механизма подачи комбайнов КШІКГУ и КІ0ПМ с бесцепной истемой подачи (БСП) и питателя шахтной мельницы. Годовой кономический эффект от внедрения однодвигательного ЧРЭП іеханизма подачи комбайна КШ1КГУ с БСП составил 136,11 млн. уб., двухдвигательного ЧРЭП комбайна К10ПМ - 91,989 млн. руб. и іногодвигательного ЧРЭП питателя шахтной мельницы - 190 млн. уб.
Методики расчета токов к.з. и тока однофазной утечки в абельной линии между ПЧ и АД использованы при проектировании ащит от к.з. и устройства защитного отключения для ЧРЭП іеханизма подачи комбайнов КШ1КГУ, К10ПМ и оценки области рименения вышеуказанных ЭП.
Методики расчета устройств определения положения ращающихся векторов напряжения ПЧ и датчика аварийного остояния ПЧ использованы при проектировании автоматических іереключателей нагрузки АПН - 2 и АПН - 3, внедренных в цехе Карбамид - 2" НАК "Азот" с годовым экономическим эффектом 92,594 млн. рублей.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты іаботьі докладывались, обсуждались и получили одобрение на IV всесоюзной научно - технической конференции "Проблемы
преобразовательной техники" (Киев, 1987), Всесоюзной научна
технической конференции "Состояние и перспективы развиті
электротехнологии. Третьи Бенардосовские чтения"(Иваново, 1987),
Всесоюзной научно-технической конференции "Динамические режим
работы электрических машин и электроприводов" (Каунас, 1988
Всесоюзной научной конференции "Проблемы Teopt
чувствительности измерительных датчиков, электронных
электромеханических систем" (Владимир, 1989), Третьей Всесоюзне
научной конференции "Методы кибернетики химико-технологическі
процессов" (Москва, 1989), научно-практической конференщ
"Охрана труда в цветной металлургии" (Челябинск, 1990), Всесоюзне
научно-практической конференции "Электро- и пожаробезопасное
при эксплуатации электроустановок" (Душанбе, 1990), научн
практическом семинаре "Применение в промышленное]
электроприводов на перспективной элементной базе" (Москва, 1991
научно-практической конференции "Контроль изоляции
распределительных сетях" (Челябинск, 1992), Международнс
межвузовской научно-практической конференщ
"Совершенствование конструкции, технологии изготовления эксплуатации горного оборудования и средств автоматизациі (Москва, 1992), II Международном симпозиуме "Автоматичесю управление энергообъектами ограниченной мощности" (Санк Петербург, 1992), научно-практическом семинаре с международнь участием "Проблема повышения надежности, уровня безаварийное эксплуатации электротехнических и электромеханических систе комплексов и оборудования горных промышленных предприяти: (Москва, 1993), семинаре с международным участием "Проблемы перспективы развития горной техники" (Москва, 1994), научн технической и методической конференции "Энергоснабжену электропотребление, электрооборудование" (Москва, 1994), Международной научно-технической конференции "Защита і поражения электрическим током" (Вроцлав, 1995), Международнс симпозиуме "Горная техника на пороге XXI века" (Москва, 1995 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 123 научні работы, в том числе монография, брошюра и 28 авторскі свидетельств на изобретения.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертащ состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 3 страницах машинописного текста, содержит 120 рисунков и таблицу, список использованной литературы из 249 наименований и приложение.
Автор выражает глубокую признательность проф., докт. техн. наук В.И.Щуцкому за научные консультации и методическую помощь при подготовке диссертации.
