Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ причин неисправностей и способов повышения эффективности работы карьерного экскаватора 9
1.1. Причины неисправностей карьерных экскаваторов 9
1.2. Улучшение динамических свойств электроприводов карьерного экскаватора 15
1.3. Выводы и постановка задач 21
2. Математическая модель электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора 23
2.1. Математическая модель электрической подсистемы электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора 23
2.2. Математическая модель механической подсистемы электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора 27
2.4. Выводы 48
3. Синтез системы управления 49
3.1. Структура синтезируемой системы управления 49
3.2. Управление электромагнитным моментом асинхронного двигателя 53
3.2.1. Градиентное управление 54
3.2.2. Полеориентированное управление 57
3.2.3. Управление с использованием скользящего режима 59
3.2.4. Прямое управление моментом 60
3.3. Регуляторы упругих сил 61
3.4. Регулятор скорости 69
3.5. Идентификация состояния электроприводов напора и подъема 74
3.6. Выводы 82
4. Исследование разработанной системы электроприводов напора и подъема 84
4.1. Исследование работы регуляторов электромагнитного момента 84
4.2. Исследование работы регуляторов упругих сил 95
4.3. Исследование работы регуляторов скорости 100
4.4. Оценка влияния разработанной системы управления на динамические нагрузки в механической подсистеме экскаватора 107
4.4. Выводы ПО
Заключение 111
Список литературы 112
- Причины неисправностей карьерных экскаваторов
- Математическая модель электрической подсистемы электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора
- Управление электромагнитным моментом асинхронного двигателя
- Исследование работы регуляторов электромагнитного момента
Введение к работе
Актуальность работы. Открытый способ добычи угля обладает более высокой по сравнению с подземным способом производительностью и более низкой себестоимостью. Доля добычи угля открытым способом в Кузбассе составляет около 53 %. Одним из наиболее значимых элементов в комплексе открытой добычи угля являются карьерные экскаваторы, в связи с чем, задача повышения эффективности их работы является актуальной.
Карьерные экскаваторы работают в условиях высоких динамических нагрузок, вызванных различными факторами, такими как резкопеременный характер нагрузки на режущей кромке ковша, действия машиниста, наличие в механической подсистеме упругих элементов и т.д. В процессе работы суммарное действие данных факторов вызывает механические напряжения в элементах механической подсистемы карьерного экскаватора, существенно превышающие их средние значения.
Эффективным способом снижения динамических нагрузок является использование возможностей систем управления электроприводов экскаватора, обеспечивающих требуемый уровень и характер изменения механических напряжений в элементах трансмиссии.
Электроприводы серийно выпускаемых в России карьерных экскаваторов построены на базе двигателей постоянного тока с системой подчиненного регулирования, где основными регулируемыми переменными являются угловая скорость двигателя и ток в цепи якоря. Такие системы управления в рабочем диапазоне нагрузок поддерживают угловую скорость вала двигателя на заданном уровне, а в случае перегрузок, ток цепи якоря ограничивается допустимым стопорным значением. Однако в этом случае ограничивается только величина электромагнитного момента двигателя, в то время как механические напряжения в элементах трансмиссии, в связи с наличием упругих звеньев, могут существенно превышать значения, соответствующие номинальному режиму работы.
Вопросами создания автоматизированных систем управления электроприводов экскаваторов, оптимизации экскаваторного электропривода и ограничения динамических нагрузок занимались В.И. Ключев, Ю.А Буль, В.И. Яковлев, В.П. Ломакин, Д.А. Каминская, В.Я. Ткаченко, П.Д. Гаврилов, Е.К. Ещин, С.Г. Филимонов, М. Б. Носырев, С. Н. Скобцов, Г.Я. Пятибратов и многие другие ученые.
Вопросам формирования нагрузок в звеньях карьерного экскаватора посвящены работы Д.П. Волкова, Б.В. Ольховикова, А.Б. Розенцвайг, Н.А. Копы-сова, Н.Г. Домбровского, Р.Ю. Подэрни и др.
Несмотря на большой объем проведенных работ в области снижения динамических нагрузок в механической подсистеме электроприводов карьерных экскаваторов, данный вопрос до конца не исследован, поэтому, актуальной задачей является разработка системы управления электроприводов экскаватора, позволяющих управлять динамическим состоянием его трансмиссии.
Цель работы - снижение динамической нагруженности элементов трансмиссии электроприводов подъема и напора карьерных экскаваторов.
Идея работы заключается в использовании возможностей регулируемого асинхронного электропривода для управления состоянием механической подсистемы приводов напора и подъема карьерного экскаватора, обеспечивающего снижение динамических нагрузок.
Задачи работы:
разработка математической модели электроприводов подъема и напора карьерного экскаватора, учитывающей изменение их параметров в процессе копания;
разработка компьютерной модели электроприводов подъема и напора карьерного экскаватора;
разработка системы управления электроприводов подъема и напора карьерного экскаватора, обеспечивающей снижение динамических нагрузок;
- исследование влияния разработанной системы управления на динами
ческие процессы, протекающие в электроприводах карьерного экскаватора.
Методы исследований. Научные и практические результаты диссертационной работы получены с использованием:
теории обобщенной электрической машины для анализа динамических процессов, протекающих в асинхронных двигателях;
методов разработки математических моделей механических систем с использованием уравнения Лагранжа;
методов синтеза регуляторов, основанных на алгоритме скоростного градиента и на синергетической теории управления;
компьютерного моделирования с использованием численного решения систем дифференциальных уравнений.
Основные научные положения.
Асинхронный двигатель с регулятором электромагнитного момента, синтезированным на основе метода скоростного градиента, является безынерционным источником момента для электроприводов карьерного экскаватора.
Снижение динамических нагрузок в электроприводах карьерного экскаватора достигается путем регулирования упругих сил с использованием безынерционного источника момента.
Угловые скорости электродвигателей, положение и скорость ковша, упругие силы в трансмиссиях приводов напора и подъема для используемой расчетной схемы определяются в реальном времени на основе информации, содержащейся в значениях электромагнитных моментов и угловых положений валов электродвигателей.
Научная новизна.
Разработана математическая модель взаимосвязанных электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора.
Исследованы динамические свойства асинхронного двигателя с регуляторами электромагнитного момента, позволяющие рассматривать их совокуп-
7 ность как безынерционный источник момента.
Разработаны регуляторы упругих сил и регуляторы скорости для электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора, обеспечивающие ограничение динамических нагрузок в его трансмиссии.
Разработан алгоритм идентификации состояния электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора.
Практическая ценность работы состоит в том, что её результаты могут быть использованы:
при построении систем управления электроприводов карьерных экскаваторов;
для оценки статических и динамических нагрузок в элементах трансмиссии экскаватора на стадии проектирования;
для мониторинга состояния электроприводов экскаватора в процессе его работы.
Достоверность научных положений и выводов подтверждена результатами вычислительных экспериментов, правомерностью принятых исходных положений и допущений, сопоставлением результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Международной научно-технической конференции «Электротехнические преобразователи энергии», Томск, 2005 г., Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2006 г., Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», Кемерово, 2006 г., Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях», Новокузнецк, 2006 г. и на научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2005-2006 гг.).
8 Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ и получен патент на изобретение. Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, приложений и содержит 125 страниц текста, 51 рисунок, 11 таблиц и список литературы из 107 наименований.
Причины неисправностей карьерных экскаваторов
Работа карьерных экскаваторов протекает в тяжелых условиях, характеризующихся ударами, вибрацией, большой запыленностью. Электроприводы основных механизмов экскаватора работают в интенсивном повторно-кратковременном режиме, с большой частотой включений, при изменяющейся в широких пределах нагрузке на валу двигателя. Наряду с этим, основные механизмы экскаватора содержат упругие механические связи, обусловленные ограниченной жесткостью канатов и валов передач, а также имеют значительные зазоры в передачах и в сочленениях рабочего оборудования экскаватора [1]. Все эти факторы негативным образом отражаются на долговечности работы карьерных экскаваторов.
Для выявления направления совершенствования карьерных экскаваторов проанализируем данные о простоях этих машин. Данные о простоях карьерных экскаваторов, полученные на разрезе "Бачатский" ОАО "Кузбассразрезуголь" за период с 16.02.04 по 07.10.04, на разрезе "Моховский" ОАО "Кузбассразрезуголь" за период с 02.01.03 по 27.11.05 и на ОАО "Разрез Сибиргинский" за период с 03.01.01 по 04.02.06, приведены в табл. 1.1 - табл. 1.3, в которых представлены причины и длительности простоев для разных типов экскаваторов. Помимо этого, для большей наглядности в табл. 1.4 - табл. 1.6 приведены эти же данные, выраженные в процентном соотношении.
Анализируя данные, приведенные в табл. 1.1 - табл. 1.6, можно сделать вывод, что большая часть аварийных простоев вызвана поломками элементов механических подсистем экскаваторов, таких как редукторы, подшипники и канаты. Помимо этого, заметную роль играют простои по причине наладки цепей управления.
Поскольку большая часть простоев карьерных экскаваторов связана с поломкой элементов механической части, то целесообразно рассмотреть причины их возникновения.
Поломки узлов механической подсистемы экскаваторов возникают как следствие совокупности физико-химических процессов (таких как окисление обнаженных участков поверхности) и чисто механических процессов (пластические деформации, усталостный износ и т.п.) [2]. Многочисленными исследованиями установлено, что одной из главных причин поломок горных машин, к которым относятся и карьерные экскаваторы, является высокий уровень их динамической нагруженности [3,4].
Нагрузка на главные электроприводы карьерного экскаватора носит циклический характер. При этом распределение нагрузки в цикле работы носит случайный характер и зависит от таких факторов как действия машиниста, крепость поды, характеристики забоя и т.д. Существенная доля от общей нагрузки приходится на динамические нагрузки, вызванные наличием упругих элементов, таких как канат, ускоренным движением ковша, изменением масс и моментов инерции. Динамические нагрузки, вызванные наличием упругих элементов, носят колебательный характер и возникают вследствие переходных процессов, инициированных действиями машиниста и изменяющейся внешней нагрузкой [5, 6, 7]. Механические напряжения в электроприводах экскаваторов, вызванные этими причинами, в 3-3,5 раза превышают свои средние значения [8].
Нередко, вследствие ошибочных действий машиниста (резкое заглубление ковша) в начале и середине копания могут возникнуть нагрузки, существенно превышающие номинальные. Кроме этого, максимальные динамические нагрузки возникают в случае упора ковша в процессе копания в жесткое препятствие. При работе на сложных грунтах приводы экскаватора достаточно часто работают в режиме частичного или практически полного стопорения [9].
В [10] показано, что существенное влияние на увеличение числа поломок деталей горных машин оказывают пульсации нагрузки, а также наличие пиковых нагрузок.
Таким образом, одним из направлений повышения эффективности работы карьерных экскаваторов является управление состоянием их трансмиссии, направленное на ограничение в них нагрузок и исключение колебательной составляющей нагрузки.
Математическая модель электрической подсистемы электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора
Электрическая подсистема каждого из электроприводов карьерного экскаватора включает в себя приводной двигатель и электрический преобразователь. Карьерные экскаваторы, выпускаемые в настоящее время в России, оборудованы двигателями постоянного тока и в большинстве случаев имеют электромашинные преобразователи электрической энергии. В то же время, внедрение регулируемых электроприводов переменного тока является эффективным путем повышения долговечности механизмов и конструкций горных машин [58, 59]. Электропривод на базе асинхронного двигателя обладает высокой надежностью и малыми массогабаритными показателями. В связи с этим, разрабатываемая система электроприводов напора и подъема будет построена на базе этого типа двигателя с автономным инвертором напряжения в качестве электрического преобразователя.
Для описания динамики асинхронных двигателей существуют три общеизвестные разновидности математических моделей [60]: - модели, построенные на основании уравнений Максвелла для магнитного поля; - модели, основанные на теории цепей; - модели, построенные на базе теории обобщенной электрической машины, объединяющей теорию поля и теорию цепей.
Математическая модель асинхронного двигателя, построенная на базе уравнений магнитного поля Максвелла достаточно сложна, и поэтому используется преимущественно при проектировании электрических машин. Модель, построенная на основе теории цепей, имеет переменные коэффициенты, что яв ляется ее недостатком [61]. При построении систем управления наибольшее распространение получила математическая модель асинхронного двигателя на базе теории обобщенной электрической машины [37, 60, 61], так как при наибольшей простоте она достаточно хорошо описывает протекающие в двигателе динамические процессы.
Математическая модель асинхронного двигателя, полученная из уравнений обобщенной электрической машины [37] в неподвижной системе координат (а, /?) выглядит следующим образом: 2a - г 2a m /a где uja, uip - составляющие по осям системы координат (a, p) вектора подводимого к статору напряжения; Wia, , ї а, - составляющие векторов пото-косцеплений статора и ротора соответственно; /уа, /;д, і2а, І2р - составляющие векторов тока статора и ротора соответственно; Rj, R2 - активные сопротивления статора и ротора соответственно; I/, L.2 - индуктивности обмоток статора и ротора соответственно; Lm - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора; со - угловая скорость вала двигателя; р - число пар полюсов; a=l/(LJL2-L2m).
Эта математическая модель предусматривает следующие допущения: 1) распределение магнитного поля вдоль окружности воздушного зазора двигателя считается синусоидальным; 2) статор и ротор имеют трехфазные симмет 25 ричные обмотки; 3) не учитывается неоднородность магнитной проводимости, обусловленная наличием пазов и неравномерностью воздушного зазора; 4) не учитывается гистерезис, насыщение и вихревые токи в магнитопроводе. Несмотря на перечисленные допущения, такая математическая модель наиболее часто используется для синтеза систем управления асинхронным двигателем. Системы управления, использующие такую модель, обеспечивают достаточно высокое качество регулирования координат двигателя, что подтверждает ее адекватность.
При питании асинхронного двигателя от автономного инвертора напряжения, на симметричную обмотку статора двигателя воздействует несимметричная система напряжений, в результате чего в обмотках двигателя возникает напряжение нулевой последовательности. В связи с этим при компьютерном моделировании процессов, протекающих в асинхронном двигателе, для получения результатов более близких к реальным системам, необходимо ввести математическую модель автономного инвертора напряжения.
Управление электромагнитным моментом асинхронного двигателя
Исходя из предъявленных выше требований, система управления электроприводов напора и подъема должна обеспечивать качественное управление одновременно несколькими переменными. В то же время наиболее качественное управление сложными нелинейными системами осуществляется на базе их полной математической модели. Учитывая, что полная математическая модель электроприводов напора и подъема, включает в себя модели электрической и механической подсистем, и имеет высокую размерность, процедура синтеза такой системы управления будет достаточно сложна. Если в результате синтеза и будет получена система управления, она будет иметь громоздкое математическое описание. Для упрощения процедуры синтеза такими объектами, необходимо их разделение на части, управляя которыми в комплексе так же обеспечивается высокое качество регулирования, но для каждой из которых значительно проще синтезировать закон управления. С этой позиции, полное математиче ское описание электроприводов напора и подъема целесообразно разделить на электрическую и механическую части.
Так как механическая подсистема электроприводов напора и подъема управляется электромагнитными моментами двигателей, то для обеспечения комплексного управления электрической и механической частью, необходимо использовать регулятор электромагнитного момента, который совместно с асинхронным двигателем может быть рассмотрен как безынерционный источник момента. Этим термином будем называть систему, обеспечивающую на всем диапазоне частот нагрузок электропривода и собственных частот механической части постоянный коэффициент передачи по моменту и нулевой фазовый сдвиг между управляющим сигналом и выходным моментом.
Исходя из сформулированных нами требований, система управления механической частью взаимосвязанных электроприводов подъема и напора карьерного экскаватора должна формировать задание электромагнитного момента асинхронного двигателя, необходимое для ограничения динамических нагрузок в механической части электроприводов, при поддержании требуемой производительности. Следовательно, система управления механической частью должна содержать регуляторы упругих сил и регуляторы скорости.
Регуляторы упругих сил должны обеспечивать такое качество управления, при котором величины сил в канатах будут стремиться к заданным траекториям без дополнительных динамических колебаний. Для обеспечения такого качества регулирования, учитывая высоко динамичный характер нагрузки, наилучшим способом является компенсация влияния изменяющейся нагрузки за счет соответствующего изменения электромагнитного момента двигателя на входе механической подсистемы электропривода. В дальнейшем такой подход будем называть активным подавлением упругих колебаний. При этом, для исключения аварийных режимов работы двигателя, на такую систему должно накладываться ограничение, препятствующее превышению электромагнитным моментом его максимального уровня.
В задачу регулятора скорости входит поддержание угловой и линейной скорости ковша в пределах заданных диапазонов. Учитывая, что выходной сигнал регулятора скорости является заданием регулятора упругих сил, одним из предъявляемых к нему требований является минимизация переменой составляющей его выходного сигнала. Помимо этого регулятор скорости должен ограничивать задание упругих сил, во избежание превышений этими величинами допустимых значений.
Для нормальной работы перечисленных регуляторов требуется знание переменных состояния приводов напора и подъема экскаватора. Однако на практике осуществить непосредственное измерение большинства из них весьма затруднительно. В связи с этим, для обеспечения работоспособности системы управления ее необходимо дополнить наблюдающим устройством.
Исследование работы регуляторов электромагнитного момента
Систему, состоящую из асинхронного двигателя, автономного инвертора напряжения и регулятора электромагнитного момента, можно рассматривать как безынерционный источник момента в том случае, если она обеспечивает на всем диапазоне частот нагрузок электропривода и собственных частотах механической части, постоянный коэффициент передачи по моменту и нулевой фазовый сдвиг между управляющим сигналом и выходным моментом.
Согласно [74, 102], основная частота спектра нагрузки приводов карьерного экскаватора составляет порядка 5 Гц, а диапазон значимых частот сил сопротивления резанию находится в пределах 0-25 Гц. Значения собственных частот механической части приводов напора и подъема будут изменяться в процессе копания, поскольку параметры этих приводов так же будут изменяться.
Определим собственные частоты привода напора и подъема, упростив математическую модель их механической части (2.21) за счет исключения взаимной связи, полагая, что силы связи являются для каждого из приводов дополнительной нагрузкой. В этом случае механическая часть привода напора и механическая часть привода подъема могут быть описаны как двухмассовые системы с переменными параметрами:
Зависимость собственной частоты от соотношения жесткости упругой связи и моментов инерции для двухмассовой системы, приведенной к одной уг 85 ловой скорости, показана в [37,103]. Учитывая, что в отличие от используемого в [37] математического описания, модель (4.1) не приведена к одной угловой скорости, собственные частоты приводов напора и подъема будут определяться как:
Графики зависимостей этих величин для карьерного экскаватора ЭКГ-8И показаны на рис. 4.1 и рис. 4.2. Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод, что собственные частоты приводов напора и подъема карьерного экскаватора находятся в пределах 18 рад/с, т.е. не превышают 3 Гц.
Таким образом, безынерционный источник момента должен обеспечивать постоянный коэффициент передачи по моменту и нулевой фазовый сдвиг между управляющим сигналом и выходным моментом на диапазоне частот от 0 до 25 Гц.
Частотные характеристики безынерционного источника момента будут зависеть от применяемого регулятора электромагнитного момента. В качестве способов регулирования момента асинхронного двигателя в данной работе рассматриваются следующие: градиентное управление [80, 81]; полеориентиро-ванное управление с источником тока и с источником напряжения [82, 83, 84]; управление моментом с использованием скользящего режима [85]; прямое управление моментом [86,77,88].
Для асинхронного электропривода с каждым из перечисленных регуляторов с помощью компьютерного моделирования получены амплитудно-частотные и фазово-частотные характеристики при различных амплитудах заданного момента двигателя. При получении данных характеристик использовалась модель асинхронного двигателя (2.3) и модель автономного инвертора напряжения (2.2), частота широтно-импульсной модуляции которого составляет 4880 Гц. Все частотные характеристики получены для асинхронного двигателя 4А315М4УЗ, параметры которого представлены в табл. 4.1. Анализ этих характеристик позволяет сделать вывод о возможности применения асинхронного двигателя, управляемого данным регулятором, в качестве безынерционного источника момента.
Семейства амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик регулятора электромагнитного момента с градиентным управлением (3.6) приведены на рис. 4.3 и рис. 4.4. При получении этих характеристик использовались весовые коэффициенты регулятора hjj=40; h2f=550; 77=72=1000.
При анализе этих рисунков можно сделать вывод, что в диапазоне частот до 200 Гц электропривод с градиентным управлением электромагнитным моментом, имеет близкий к единице уровень амплитудно-частотной характеристики и практически нулевой фазовый сдвиг, что соответствует требованиям безынерционного источника момента.
Семейства амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик регулятора электромагнитного момента с полеориентированным управлением с источником тока (3.7) приведены на рис. 4.5 и рис. 4.6.
Из этих характеристик видно, что в диапазоне частот до 200 Гц, асинхронный двигатель, управляемый таким регулятором имеет коэффициент передачи по моменту близкий к единице, а так же практически нулевой фазовый сдвиг. Следовательно, такой регулятор электромагнитного момента удовлетворяет требованиям безынерционного источника момента.
