Содержание к диссертации
Введение
1. Сосотояние и перспективы развития электропривода горных машин, обоснование задач исследования 15
1.1. Обзор основных исследований в области электропривода горных машин 15
1.2. Анализ способов ограничения динамических нагрузок в электромеханических системах, содержащих упругие элементы 30
1.3. Анализ энергосберегающих технологий в электроприводах 38
1.4. Обоснование задач исследования 43
2. Оценка свойств и методы анализа электромеханических систем горных машин 47
2.1. Свойства обобщенных структурных схем электромеханических систем 47
2.2. Исследование и разработка модифицированного метода нормированных передаточных функций для исследования динамических процессов в электромеханических системах 53
2.3. Демпфирующие свойства электромеханических систем с разомкнутой системой управления 59
2.4. Влияние жесткой и гибкой отрицательных обратных связей по скорости на демпфирующие свойства электромеханической системы 62
2.5. Влияние жесткой и гибкой отрицательных обратных связей по току на демпфирующие свойства электромеханической системы 67
2.6. Динамические свойства электроприводов с подчиненным регулированием координат 72
2.7. Выводы 77
3. Динамика двухмассовых электромеханических систем 78
3.1. Динамические свойства двухмассовых электромеханических систем... 78
3.2. Демпфирующие свойства ДЭМС с разомкнутой системой управления... 83
3.3. Демпфирующие свойства двухдвигательных двухмассовых электромеханических систем 91
3.4. Влияние жесткой и гибкой отрицательных обратных связей по скорости на демпфирующие свойства ДЭМС 101
3.5. Влияние жесткой и гибкой отрицательных обратных связей по току двигателя на демпфирующие свойства ДЭМС 106
3.6. Влияние жесткой и гибкой отрицательных обратных связей по моменту нагрузки на демпфирующие свойства ДЭМС 109
3.7. Жесткая и гибкая отрицательные обратные связи по нагрузке в токовом контуре с ПИ-регулятором тока 113
3.8. Выводы 118
4. Динамические свойства трехмассовых электромеханических систем 120
4.1. Эквивалентные расчетные схемы трехмассовых электромеханических систем 120
4.2. Демпфирующие свойства ТЭМС с разомкнутой системой управления 126
4.3. Демпфирующие свойства ТЭМС в системе с жесткой и гибкой отрицательными обратными связями по скорости двигателя 141
4.4. Демпфирующие свойства ТЭМС в системе с жесткой и гибкой отрицательными обратными связями по моменту (току) двигателя 149
4.5. Демпфирующие свойства ТЭМС в системе с жесткой и гибкой отрицательными обратными связями по моменту нагрузки в упругом элементе 152
4.6. Жесткая и гибкая отрицательные обратные связи по моменту нагрузки в контуре с ПИ-регулятором нагрузки системы управления ТЭМС 160
4.7. Выводы 166
5. Синтез структур управления электромеханическими системами 167
5.1. Коїщептуальїше положения методологии синтеза структур управления электромеханическими системами горных машин 167
5.2. Синтез структур управления одномассовыми электромеханическими системами 169
5.3. Синтез структур управления двухмассовыми электромеханическими системами при параллельной коррекции с фиксированным значением относительного коэффициента затухания 180
5.4. Синтез структур управления двухмассовыми электромеханическими системами при параллельной коррекции с нефиксированным значением относительного коэффициента затухания 199
5.5. Синтез структур управления двухмассовыми электромеханическими системами при смешанной коррекции координат 218
5.6. Синтез структур управления трехмассовыми электромеханическими системами при смешанной коррекции координат 227
5.7. Выводы 233
6. Исследование резонансных режимов электромеханических систем 235
6.1. Принципы исследования резонансных режимов электромеханических систем 235
6.2. Исследование резонансных режимов в электромеханической системе с разомкнутой системой управления 237
6.3. Исследование резонансных режимов в электромеханической системе с жесткой отрицательной обратной связью по скорости двигателя 253
6.4. Исследование резонансных режимов в электромеханической системе с гибкой отрицательной обратной связью по скорости двигателя 259
6.5. Исследование резонансных режимов в электромеханической системе с жесткой отрицательной обратной связью по току двигателя 266
6.6, Исследование резонансных режимов в электромеханической системе с гибкой отрицательной обратной связью по току двигателя 273
6.7. Эквивалентная схема замещения и энергетические свойства электромеханических систем в резонансных режимах 280
6.8, Рациональная структура активного управления энергетическими характеристиками ЭМС органов резания в резонансном режиме 288
6.9. Выводы 297
7. Разработка рекомендаций по синтезу структур управления. экспериментальные исследования электромеханических систем горных машин 299
7.1. Методика синтеза структур управления двухмассовыми электромеханическими системами при параллельной коррекции с фиксированным значением относительного коэффициента затухания 299
7.2. Методика синтеза структур управления двухмассовыми электромеханическими системами при параллельной коррекции с нефиксированным значением относительного коэффициента затухания 309
7.3. Методика синтеза структур управления двухмассовыми электромеханическими системами при смешанной коррекции координат 318
7.4. Методика синтеза структур управления трехмассовыми электромеханическими системами при смешанной коррекции координат 323
7.5. Имитационное моделирование электромеханических систем в резонансных режимах 327
7.6. Методика синтеза рациональной структуры управления электромеханическими системами органов резания горных машин, оптимальной по критерию минимума потребляемой мощности 337
7.7. Выводы 345
Заключение 347
Литература 350
- Обзор основных исследований в области электропривода горных машин
- Свойства обобщенных структурных схем электромеханических систем
- Демпфирующие свойства двухдвигательных двухмассовых электромеханических систем
- Эквивалентные расчетные схемы трехмассовых электромеханических систем
Введение к работе
Актуальность проблемы. Процессы, связанные с добычей подземным и открытым способами, доставкой и переработкой полезных ископаемых, осуществляются машинами и механизмами, объединенными технологически, а также каналами передачи энергии, контрольной, сигнализирующей и управляющей информацией. К числу этих машин и механизмов относят: подъемные установки, угледобывающие комбайны, одно- и многоковшовые экскаваторы, конвейеры, буровые станки, вентиляторы, насосы, дымососы и т.д.
Так как добычные машины и средства непрерывного транспорта составляют основу технологического машинного парка любого горного предприятия, то низкая надежность этих машин и механизмов, высокая металлоемкость и энергоемкость снижают конкурентоспособность предприятий горнодобывающих отраслей в жестких условиях рыночной экономики. Для существенного повышения эффективности горного производства необходимо качественное изменение горнодобывающей и вспомогательной техники, направленное на повышение технического ресурса и снижение электропотребления.
Наличие упругих связей в электромеханических системах (ЭМС) горных машин и установок обусловливает возникновение колебательных переходных процессов, значительно увеличивающих динамические нагрузки. Кроме того, влияние упругих механических связей не позволяет применять стандартные системы электропривода горных машин и установок, а также использовать типовые структуры и настройки, рассчитанные без учета упругих свойств электромеханической системы.
В последнее время ведутся многочисленные исследования по выявлению закономерностей процессов в ЭМС горных машин и механизмов, направленные на обеспечение возможности снижения динамических нагрузок в рабочем оборудовании. Преимущественно предлагаются различные структуры управления для электроприводов с упругими связями и методы выбора их параметров, а вопросам, касающимся области использования этих структур уделяется недостаточное внимание. В этой связи исследований, обосновывающих состояния, устанавливающих оценки режимов работы электромеханических систем, особенно трехмассовых, явно недостаточно. Отсюда малочисленны случаи технической реализации и внедрения в промышленную эксплуатацию систем электроприводов, обеспечивающих эффективное ограничение упругих динамических усилий в ЭМС горных машин. В связи с этим проведение исследований, направленных на ограничение динамических усилий в ЭМС горных машин, является актуальным с научной и практической точки зрения.
Известно, что электропривод потребляет 65 - 70% электроэнергии, производимой в стране. В развитых странах внедрение систем управления технологическими процессами и комплексами машин, на базе автоматизированных электроприводов и микропроцессорных устройств позволило получить экономию до 20% электроэнергии и существенно снизить динамические нагрузки машин и механизмов, повысив тем самым их надежность и ресурс. Имеющийся в России опыт создания и внедрения тиристорных и транзисторных электроприводов для горных машин подтверждает, что при этом может обеспечиваться повышение производительности, надежности машин и снижение уровня электропотребления.
Проблемы энергосбережения становятся все более актуальными в связи с ростом цен на энергоносители. Многочисленные исследования в области энергосбережения средствами электропривода охватывают в основном определенный класс машин и установок, например, турбомашины. Одним из энергоемких технологических процессов горного производства является процесс резания и разрушения горной массы. Исследования в области энергосбережения средствами электропривода для такого класса горных машин с органами резания практически отсутствуют.
Развитие исследований и комплексное решение проблемы ресурсо- и энергосбережения с помощью электропривода становятся все более актуальными, так как ЭМС горных машин и механизмов, как объекты с особыми свойствами и характеристиками, до настоящего времени не получили достаточно полного решения как на стадиях исследования и проектирования, так и на этапах технической реализации и эксплуатации.
В связи с изложенным, развитие теории структурного анализа и синтеза управления электромеханическими системами горных машин позволяющей решить вопросы ресурсо- и энергосбережения является актуальной научной проблемой.
Связь темы диссертации с государственными научными программами.
Работа выполнялась в соответствии с отраслевыми и межотраслевыми целевыми программами, связанными с повышением эффективности электрооборудования и электроэнергии: "Энергосбережение" (секции № 6 и № 10 направления №146 и секция № 7 направления № 45 - приказ № 25 от 19.01.93 Министерство науки, высшей школы и технической политики РФ); "Энергосбережение России" (тема 1.3 целевой программы "Топливо и энергия" - приказ № 14-36-04 от 7.02.94 Госкомвуз РФ); Межвузовская научно-техническая программа "Новые методы и средства экономии ресурсов и экологические проблемы энергетики" (задания 3.1.01 и 3.1.02 - 1991 г. и задание 1.2.6 -1993-96г.г.).
Целью работы является развитие теории структурного анализа и синтеза рационального управления электромеханическими системами горных машин для разработки электроприводов, обеспечивающих повышение технического ресурса и снижение электропотребления машин и механизмов.
Идея работы состоит в совершенствовании динамических и энергопотребляющих свойств электромеханических систем за счет их структурно параметрической оптимизации по критериям максимального ограничения динамических нагрузок и минимума потребляемой мощности. Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Модифицированный метод нормированных передаточных функций для анализа и синтеза систем управления электроприводами, отличающийся приведением параметров электромеханической системы и показателей колебательности к единой базовой величине, в качестве которой устанавливаются электромагнитная постоянная времени силовой цепи или постоянная времени преобразовательного устройства.
2. Математические модели двух- и трехмассовых одно- и двухдвигатель-ных электромеханических систем, учитывающие обобщенные свойства различных систем регулируемых электроприводов.
3. Аналитические зависимости параметров двух- и трехмассовых одно- и двухдвигательных электромеханических систем от показателей колебательности для структур системы управления с разомкнутой и замкнутой цепью воздействия.
4. Методы синтеза двух- и трехмассовых ЭМС, учитывающих области допустимых параметров электромеханических систем для различных структур системы управления.
5. Модель структуры системы управления электроприводом органа резания горнодобывающих машин, отличающаяся тем, что для эффективного функционирования с минимальным потреблением электроэнергии используется резонансный режим электромеханической системы.
6. Аналитические зависимости показателей резонансного режима от параметров электромеханической системы с разомкнутой и замкнутой структурой системы управления электропривода.
7. Аналитические зависимости энергетических характеристик электромеханических систем от показателей резонансного режима.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным применением математических методов, теории автоматического управления, теории электропривода, теории колебаний, методов имитационного моделирования, сравнением результатов аналитических исследований и имитационных экспериментов с данными экспериментов, достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми не превышает 15%.
Научная новизна полученных результатов исследования состоит:
- в разработке модифицированного метода нормированных передаточных функций для структурного анализа и синтеза управления электромеханическими системами;
- в разработке математических моделей двух- и трехмассовых электромеханических систем для аналитических исследований динамических процессов горных машин и механизмов, а также в разработке математических моделей двух- и трехмассовых двухдвигательных электромеханических систем для анализа распределения нагрузок приводных двигателей в динамических режимах;
- в установлении закономерностей динамических процессов в электромеханических системах горных машин и механизмов, используемых для разработки рациональных структур систем управления электроприводами по критерию минимальной нагруженности рабочего органа;
- в установлении закономерностей установившихся колебательных процессов в резонансном режиме, необходимых для разработки рациональных структур управления электроприводами органов резания горных машин и механизмов по критерию минимума потребляемой энергии.
Научное значение работы состоит в: разработке модифицированного метода нормированных передаточных функций для анализа и синтеза электромеханических систем, что развивает теорию автоматического управления электроприводами; разработке математических моделей двух- и трехмассовых одно- и двухдвигательньїх электромеханических систем, что развивает теорию электромеханических систем; установлении зависимостей параметров многомассовой электромеханической системы от показателей колебательности при различных структурах системы управления электропривода, что развивает теорию электромеханических систем и раздел теории электропривода механизмов с упругими связями; установлении зависимостей показателей резонансного режима от параметров электромеханической системы, что развивает теорию электромеханических систем и теорию колебаний.
Практическое значение работы заключается в разработке:
1. Рекомендаций по выбору рациональной структуры системы управления электромеханическими системами по критерию минимума колебательности;
2. Методик синтеза замкнутых систем управления электромеханическими системами с упругими механическими связями;
3. Рекомендаций по выбору рациональной структуры управления электромеханическими системами органов резания горных машин, оптимальной по критерию минимума потребляемой мощности;
4. Методики синтеза рациональной структуры управления электромеханическими системами органов резания горных машин.
Реализация результатов работы.
Рекомендации по выбору рациональной структуры системы управления электромеханическими системами по критерию минимума колебательности и рациональной структуры управления электромеханическими системами органов резания горных машин по критерию минимума потребляемой мощности; методики синтеза замкнутых систем управления электромеханическими системами с упругими механическими связями и методика синтеза рациональной структуры управления электромеханическими системами органов резания горных машин внедрены в ОАО "Лебединский ГОК" (г.Губкин, Белгородская обл.), АК "АЛРОСА" (г.Мирный, Саха Якутия).
Рекомендации по выбору рациональной структуры управления электромеханическими системами органов резания горных машин по критерию минимума потребляемой мощности и методика синтеза рациональной структуры управления электромеханическими системами органов резания горных машин внедрены в Айхальском ГОКе (г.Айхал, Саха Якутия), Удачнинском ГОКе (г.Удачный, Саха Якутия).
Практическим результатом работы, внедренным в учебный процесс, является отражение ряда теоретических и методических положений диссертации в учебных программах, учебно-методических указаниях и пособиях: "Регулируемый электропривод постоянного тока", "Регулируемый электропривод переменного тока", "Электромеханические системы" для подготовки специалистов по направлению 654500 - "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" специальности 180400 - "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов" и магистров по направлению 550600 - "Горное дело" магистерской программы 550613 -"Электротехнические комплексы и системы горных предприятий".
Использование результатов исследований и разработок в проектной практике и промышленности подтверждены соответствующими документами, приводимыми в приложении к диссертации.
Апробация работы. Основные положения и разделы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной межвузовской научно-практической конференции "Совершенствование конструкции, технологии изготовления и эксплуатации горного оборудования и средств автоматизации" (Москва, 1992); Международной межвузовской научно-практической конференции "Проблемы повышения надежности, уровня безаварийной эксплуатации в электротехнических и электромеханических системах, комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий" (Москва, 1993); Научных симпозиумах "Неделя горняка - 2000, 2001, 2002, 2004" (Москва, 2000 - 2002, 2004);
ПІ Международной (XIV Всероссийской) научно-технической конференции "АЭП-2001" (Н.Новгород, 2001); научно-технических семинарах, научно-технических советах института Типроуглеавтоматизация" (Москва, 1986 -1987), ИГД им. А.АСкочинского (Люберцы, 1986 - 1988), ОАО "Лебединский ГОК" (Губкин, 2001-2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в числе которых монография и 11 трудов, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК России.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 193 наименований и включает 174 рисунка, 21 таблицу и четыре приложения.
Обзор основных исследований в области электропривода горных машин
Современное состояние развития автоматизированного электропривода характеризуется следующим: полупроводниковая техника новых поколений силовых электронных приборов позволяет расширить функциональные возможности электроприводов; новые способы управления позволяют реализовать достаточно сложные алгоритмы управления; современные диагностические системы обеспечивают как информацией о текущем состоянии параметров всех элементов электротехнического комплекса, так и информацией, позволяющей прогнозировать тенденцию их изменения.
При совершенствовании систем электропривода горных машин и установок наблюдается тенденция по замене тиристорных преобразователей транзисторными, аналоговых систем управления - цифровыми, а релейно-контакторных - микропроцессорными. Вместе с этим повышенное внимание посвящено вопросам ресурсо- и энергосбережения.
В ближайшее время намечается многократное увеличение спроса на оборудование для горных работ - добычных комбайнов, экскаваторов, буровых станков и др. При этом необходимо значительно повысить их технический уровень, в первую очередь за счет совершенствования электромеханических систем, причем потребность в электрооборудовании для модернизации соизмерима с потребностью в новых машинах [158].
Эффективность работы горных предприятий в значительной степени определяется эффективностью использования добычных, подготовительных и транспортных машин и установок. Значительную роль при этом играет качество функционирования электромеханических систем, которые в настоящее время недостаточно надежны, обладают высокой материалоемкостью и энергоемкостью. Существенное повышение эффективности горного производства возможно на основе качественного изменения и модернизации существующих технических средств. Как показывает мировая практика, преодоление негативных явлений, связанных с повышением стоимости энергоносителей, происходит за счет качественного изменения производственных процессов с использованием новых ресурсо- и энергосберегающих технологий, в основном на базе управляемых электроприводов. Опыт создания и внедрения регулируемых электроприводов горных машин и установок показывает, что при этом обеспечивается повышение производительности, надежности и снижение удельной энергоемкости производственного процесса. Так, например, тиристорный электропривод скребковых конвейеров с рациональной структурой управления обеспечивает снижение колебательности в тяговом органе в 2 - 3 раза, а увеличение ресурса цепного орана и снижение удельных энергозатрат на транспортирование в 1,5 раза [30].
Горные машины и установки, как правило, относятся к группе автономных механизмов, для которых оптимальная разработка электромеханических систем является наиболее эффективной, так как обеспечиваются высокие эксплуатационные показатели при наличии автономных систем электроснабжения соизмеримой мощности или слабых шахтных и карьерных сетей. Важнейшая задача разработки электроприводов с оптимальными системами управления и регулирования состоит в том, чтобы определенная ее часть была бы пригодна для любого вида электромеханической системы и для широкой номенклатуры горных машин и установок, которые отличаются тяжелыми условиями эксплуатации. Условия эксплуатации горных манган и установок характеризуются экстремальными климатическими и механическими воздействиями, удаленностью ремонтных баз, слабой квалификацией обслуживающего персонала, что требует максимальной унификации электрооборудования, как для новых, так и для модернизируемых электромеханических систем.
Перед горнодобывающей промышленностью стоит ряд задач, решение которых должно повысить эффективность работы отрасли в условиях роста стоимости энергоносителей. Существовавшая тенденция роста производительности горных машин на базе увеличения их энерговооруженности в современных условиях должна существенно корректироваться с учетом позиций энергоэффективности. Эффективность функционирования машин и установок на данном этапе во многом зависит от совершенства и функциональных возможностей электропривода.
Простейшие виды электропривода уже не могут обеспечить повышение эффективности технологических процессов только за счет увеличения мощности машин и установок. Основные виды машин и других механизмов горного производства до сих пор оснащаются нерегулируемыми электроприводами с постоянными и переменными асинхронными короткозамкнутыми двигателями. При этом увеличение энерговооруженности на 50% обеспечивает повышение производительности только на 5-10%, тогда как, например, увеличение энерговооруженности одноковшового экскаватора на 25-30% при совершенной системе электропривода приводит к повышению его производительности на 15-20% [93].
Эксплуатация электроприводов в горной промышленности значительно отличается от эксплуатации электроприводов, применяемых в других отраслях промышлешюсти, как по режиму работы, так и по условиям окружающей среды. Для большинства машин характерен неравномерный график нагрузки с частыми пусками. При этом источник питания удален от механизма на значительное расстояние. Величина напряжения на зажимах электродвигателей из-за большой протяженности кабельной сети зачастую имеет значение 70-75% от номинального. Соответственно фактический максимальный момент асинхронных двигателей снижается на 40-50%. Коэффициент использования электродвигателей по мощности равен 0,56-0,89 [190].
Многочисленные исследования реальных режимов работы горных машин [6, 24, 25, 36, 90, 91, 92, 131, 149, 187, 188] показывают, что нерегулируемый электродвигатель является одной из причин малого срока службы, низкой надежности и высокой аварийности горных машин и установок. Так например, на угледобывающих предприятиях срок службы электродвигателей составляет в среднем всего 0,5 года [25].
Устранение недостатков, присущих нерегулируемому электроприводу, ведется в основном по двум направлениям - разработки и внедрению пускорегулирующих устройств для машин и механизмов с тяжелыми условиями пуска и пульсирующим характером нагрузки; переходом на системы регулируемого электропривода, в первую очередь, для тех машин и установок, для которых технико-экономическая эффективность не вызывает сомнений (магистральные ленточные конвейеры, струги, механизмы резания и подачи добычных комбайнов и др.).
Основной тип электроприводов на горных предприятиях асинхронный, с ростом единичной мощности которого актуальными становятся вопросы обеспечения пусковых процессов в слабых рудничных сетях. Разработке пускорегулирующих устройств посвящено значительное количество работ [4, 18, 25, 29, 32, 38, 90, 91, 92, 98, 99, 103, 107, 121, 150, 164, 167, 186, 187, 193]. Кроме вопросов пуска асинхронных двигателей, также решаются проблемы минимизации потерь и потребляемой мощности, поддержания коэффициента мощности на заданном уровне и т.д. Предложены различные схемные решения от простейших до замкнутых по различным координатам. Так, например, в [150] предложена серия пускорегулирующих устройств на токи 25 - 400 А с двухконтурной системой подчиненного регулирования координат. При всей перспективности применения пускорегулирующих устройств, вопросы, связанные с внедрением взрывозащищенного исполнения для подземных горных работ исследованы слабо, в основном только теоретически [25, 38, 167, 186].
Свойства обобщенных структурных схем электромеханических систем
Большинство горных машин и механизмов оснащены тремя типами регулируемых электроприводов: УВ-Д, Г-Д с ТВ и ПЧ-Д со звеном постоянного тока или с непосредственной связью, обладающими хорошими регулировочными свойствами. Электроприводом системы УВ-Д оснащены рудничные подъемные установки, главные и вспомогательные механизмы одно- и многоковшовых экскаваторов, буровые установки, механизмы резания добычных комбайнов. Электропривод системы Г-Д с ТВ широко используется для главных механизмов одно- и многоковшовых экскаваторов, на рудничных подъемных установках с мощностью привода более 1000 кВт. Система ПЧ-Д до настоящего времени находила ограниченное применение на предприятиях горно-промышленной отрасли. Однако в последнее время такая система электропривода завоевывает все более широкие позиции, в том числе и на горных предприятиях, так как с развитием силовой электроники и микроэлектроники повысилась надежность преобразователей частоты, в качестве приводных двигателей используются неприхотливые в эксплуатации асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и т.д. Электропривод системы ПЧ-Д применяется на ряде рудничных подъемных установок, в механизмах подачи добычных комбайнов, насосных установках и дымососах центробежного типа, осевых и центробежных вентиляторах, идет проектирование и внедрение на главных механизмах одноковшовых экскаваторов, буровых установках, конвейерах различного назначения.
Анализ процессов в электромеханических системах и их синтез основаны на представлении таких электроприводов в виде динамических систем, состоящих из ряда динамических звеньев, обладающих определенными динамическими свойствами. В общем случае такие динамические системы являются нелинейными. Сложность аналитических методов анализа нелинейных систем вызывает необходимость применять специальные методы исследования или в большинстве случаев заменять реальные элементы линейными, вводя общепринятые допущения и используя различные методы линеаризации. Для линейных систем отдельные элементы системы заменяются типовыми динамическими звеньями, что значительно облегчает и упрощает исследование.
Электроприводы систем УВ-Д, Г-Д с ТВ и ПЧ-Д со звеном постоянного тока в своей структуре (рис. 2.1) имеют, как правило, четыре типовых динамических звена: два апериодических первого порядка - звенья преобразовательного устройства и якорной (УВ-Д) или статорной (ПЧ-Д) цепи; одно интегрирующее - звено скорости; одно безынерционное - звено внутренней обратной связи по ЭДС двигателя. Электропривод системы Г-Д с ТВ имеет дополнительное апериодическое звено первого порядка, характеризующее передаточную функцию генератора постоянного тока. Учитывая, что электромагнитная постоянная времени обмотки возбуждения генератора Тв значительно больше, чем постоянная времени преобразовательного устройства Тп, т.е. Тв » Тп, то два апериодических звена преобразовательного устройства (тиристорный возбудитель) и генератора постоянного тока можно представить в виде одного апериодического звена первого порядка с электромагнитной постоянной времени Тв.
С целью унификации и формализации исследований электромеханических систем представим структурные схемы электроприводов систем УВ-Д, Г-Д с ТВ и ПЧ-Д со звеном постоянного тока в виде обобщенной структурной схемы регулируемого электропривода (рис. 2.2). В обобщенной структурной схеме регулируемого электропривода звенья управляемого выпрямителя, тиристорного возбудителя с генератором постоянного тока и преобразователя частоты формально заменяются единым звеном преобразовательного устройства с передаточной функцией
Остальные звенья обобщенной структурной схемы регулируемого электропривода имеют вид, идентичный представленным на рис. 2.1а,б,в, где приняты следующие обозначения: кс - статический коэффициент передачи звена скорости; Тм - электромеханическая постоянная времени привода; се коэффициент передачи звена внутренней обратной связи по ЭДС двигателя. Расчет статических коэффициентов передачи и постоянных времени должен вестись с учетом особенностей фактической системы электропривода.
Структурная схема регулируемого электропривода на рис. 2.2 является обобщенной в электрической части системы. Механическая часть структурной схемы может быть одно- или многомассовой. Структура, приведенная на рис. 2.2, является обобщенной структурной схемой одномассовой электромеханической системы. Для получения обобщенной структурной схемы многомассовой электромеханической системы необходимо выявить особенности ее формирования и условия получения в виде эквивалентных расчетных схем с сосредоточенными массами.
Существует большой класс горных машин и механизмов, который можно рассматривать как многомассовые электромеханические системы: двухмассовые (ДЭМС), трехмассовые (ТЭМС) и т.д. К ним относятся большинство двухконцевых подъемных установок, главные механизмы экскава 51
торов, струговые установки, механизмы подачи добычных комбайнов и т.д., в которых можно рассматривать массы как сосредоточенные. Большую сложность для математического описания представляют системы с распределенными массами, например ленточный и скребковый конвейеры или буровая колонна бурового станка Динамические процессы в таких системах описываются нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных, что значительно затрудняет, а в большинстве случаев делает невозможным анализ этих процессов.
При определенных допущениях системы с распределенными массами целесообразно представить в виде расчетной эквивалентной схемы, состоящей из ряда сосредоточенных масс, соединенных упругими элементами, характеризуемыми коэффициентом жесткости с [67, 91, 120, 173]. Количество таких сосредоточенных масс может быть бесконечно большим. Переходные процессы в таком случае описываются с помощью линейных дифференциальных уравнений. Число сосредоточенных масс выбирается из условия совпадения основных частот собственных колебаний в системах с сосредоточенными массами и с распределенными массами. Если с помощью регулируемого электропривода демпфировать колебания в электромеханической системе и достигнуть апериодического или близкого к нему характера переходного процесса, то значительно сокращается спектр частот в исследуемой системе. Следовательно, число сосредоточенных масс можно значительно сократить, не нарушая вышеприведенного условия.
Демпфирующие свойства двухдвигательных двухмассовых электромеханических систем
Использование стандартных настроек в системе подчиненного регулирования обеспечивает поддержание постоянного значения тока (и момента) двигателя. Для механизмов и установок, требующих ограничения колебательных динамических нагрузок при наличии упругих элементов в кинематических цепях, поддержание постоянного значения тока ухудшает демпфирующие свойства электромеханической системы при пуске и торможении. Вследствие этого при сохранении принципов синтеза в структуре с последовательной коррекцией, справедливой для жестко связанной электромеханической системы, оказываются непригодными для систем, содержащих упругие элементы, так как не обеспечиваются заданные динамические свойства. Тем не менее существует ряд условий, при которых стандартные настройки обеспечивают приемлемые динамические процессы в ДЭМС [20]. Так, например, одним из таких условий является у «1. Поэтому стандартные настройки могут применяться для ограниченного класса горных машин и установок, содержащих упругие элементы. Исследования структуры управления с подчиненным регулированием координат в системе с упругими механическими связями показывают, что использование отрицательной обратной связи по моменту нагрузки упругого элемента позволяет получить приемлемые динамические свойства электромеханической системы. Такую обратную связь следует использовать в токовом контуре и наряду с последовательной коррекцией осуществлять параллельную коррекцию, т. е. обеспечивать систему управления со смешанной коррекцией.
Анализ системы выполнен для схемы с токовым контуром (рис. 3.16) в структуре подчиненного регулирования координат. Компенсируемая постоянная времени Тк выбирается в зависимости от системы электропривода. Для системы УВ-Д Тк = Тэ, а некомпенсируемой является электромагнитная постоянная времени Тп СИФУ преобразователя. Для системы Г-Д с ТВ Тк = Т„ = Тв, а некомпенсируемой является электромагнитная постоянная времени
Тэ силовой цепи двигателя. Коэффициент обратной связи по току когп рассчитывается по методике, принятой для систем подчиненного регулирования. Структура на рис. 3.16 содержит жесткую обратную связь по моменту нагрузки в упругом элементе с коэффициентом кон и гибкую с коэффициентом КонТон- Сигналы обратных связей алгебраически суммируются с сигналом задания по току двигателя изт на входе ПИ-регулятора тока. При исследовании влияния обратных связей по моменту нагрузки на демпфирующие свойства электромеханической системы влиянием внутренней обратной связи по ЭДС двигателя пренебрегаем, как это принято при синтезе систем подчиненного регулирования.
В системе Г-Д с ТВ собственный оператор передаточных функций по управляющему и возмущающему воздействиям при использовании жесткой отрицательной обратной связи по моменту нагрузки в упругом элементе имеет вид
Как видно из полученных выражений, полное демпфирование возможно при отрицательных значениях параметра жесткой обратной связи по моменту нагрузки в упругом элементе, т.е. эта обратная связь должна быть положительной. Общеизвестно, что положительная обратная связь снижает запас устойчивости системы, поэтому жесткая обратная связь по моменту нагрузки в упругом элементе не может быть рекомендована как способ обеспечения демпфирования колебаний в электромеханической системе с подчиненным регулированием координат.
В системе УВ-Д , где компенсируется Тэ, собственный оператор имеет вид, аналогичный (3.44), в котором вместо Т3 необходимо ввести значение электромагнитной постоянной времени Тп СИФУ преобразователя. Соответственно в (3.45) значения постоянных времени должны рассматриваться относительно Тп.
В системе Г-Д с ТВ собственный оператор передаточных функций по управляющему и возмущающему воздействиям при использовании гибкой отрицательной обратной связи по моменту нагрузки в упругом элементе имеет вид
Используя модифицированный метод нормированных передаточных функций с нормированным характеристическим полиномом четвертого порядка (3.14), получаем систему алгебраических уравнений для случая полного демпфирования колебаний ( = 1) относительное значение параметра гибкой обратной связи по моменту нагрузки в упругом элементе.
Эквивалентные расчетные схемы трехмассовых электромеханических систем
Задачей синтеза системы управления является определение структуры и параметров ее элементов, удовлетворяющих заданным показателям качества регулирования. Основными показателями качества регулирования в динамическом режиме являются быстродействие, перерегулирование и колебательность системы.
Максимальное быстродействие необходимо получать в электроприводах с циклическим характером работы. При этом обеспечивается максимальная производительность установки. Вместе с тем чрезмерно высокое быстродействие может вызывать повышенные перерегулирование и колебательность системы. Поэтому необходимо в процессе синтеза находить оптимальное соотношение между этими показателями качества регулирования.
Использование полученных условий демпфирования позволяет систематизировать процесс синтеза системы управления ЭМС. В том случае, если параметры ЭМС удовлетворяют условиям демпфирования, нет необходимости применять замкнутую систему управления. При этом принято говорить о естественном демпфировании колебаний. В случае решения других задач, связанных со статическими свойствами системы (стабилизация скорости, момента и др.), необходимо полученную структуру исследовать на динамические свойства. Если коэффициент демпфирования л/2/2, то для минимизации колебательности ЭМС необходимо использовать дополнительные обратные связи, как правило, гибкие, чтобы не нарушить полученные статические свойства системы.
На основании полученных условий демпфирования можно сделать вывод, что количество обратных связей в системе с параллельной коррекцией равно (п -1), где п — порядок степени собственного оператора передаточной функции ЭМС по управляющему и возмущающему воздействиям. Это положение справедливо для самого неблагоприятного случая, когда ни один из параметров ЭМС не удовлетворяет условиям демпфирования. Количество обратных связей может уменьшаться, если один или несколько параметров ЭМС удовлетворяют условиям демпфирования. В общем случае число обратных связей равно (п-т-\), где т - число параметров ЭМС, удовлетворяющих условиям демпфирования.
В процессе синтеза может оказаться, что обратная связь будет положительной. Так как положительная обратная связь снижает запас устойчивости системы, то ее применение является нежелательным. Следовательно, необходимо определять диапазон возможных значений параметров ЭМС, при котором можно применять отрицательную обратную связь. Это накладывает ограничения на применение той или иной обратной связи. Отсюда необходима разработка рекомендаций по применению определенного вида отрицательной обратной связи.
В основе модифицированного метода синтеза по нормированным передаточным функциям используется обеспечение равенства коэффициентов собственного оператора передаточных функций по управляющему и возмущающему воздействиям соответствующим коэффициентам (корням) нормированного полинома. Корни нормированного полинома или задаются, исходя из необходимых условий демпфирования колебаний, или они имеют нефиксированное значение при определенных условиях. В состав собственного оператора входят параметры обратных связей и задачей синтеза является определение этих параметров при известных параметрах электромеханической системы. Так как параметры обратных связей входят в выражение для собственного оператора в различных комбинациях, то необходимо выбирать такое сочетание обратных связей, чтобы их количество бьио минимальным. С целью минимизации количества используемых обратных связей необходимо, чтобы корни нормированного полинома не были фиксированными (заданными). Однако относительный коэффициент затухания при таком подходе должен быть при любом сочетании параметров ЭМС -\/2/2. Это затрудняет процесс синтеза. Наиболее просто решается проблема при фиксированном значении относительного коэффициета затухания.
Одномассовые ЭМС характеризуются низкой степенью собственного оператора передаточной функции по управляющему и возмущающему воздействиям. Поэтому количество возможных вариантов применения корректирующих обратных связей не очень велико. Неучет электромагнитной инерционности преобразовательного устройства позволяет получить естественную демпфирующую способность при тм=Тм/Тэ 4 (2.7) с коэффициентом демпфирования. Если эти условия не соблюдаются, то проведенный анализ влияния различных обратных связей на демпфирующие свойства ЭМС позволяет рекомендовать для обеспечения заданных динамических свойств гибкую отрицательную обратную связь по скорости двигателя или жесткую отрицательную обратную связь по току силовой цепи двигателя.
