Введение к работе
Актуальность работы. Горные машины (ГМ) занимают центральное место в технологической цепи добычи полезных ископаемых. Очевидно, что надежность их работы напрямую влияет на эффективность ведения горных работ.
Практика эксплуатации показывает, что отечественные ГМ существенно уступают зарубежным аналогам, как по производительности, так и по надежности, поэтому модернизация имеющихся и разработка новых отечественных ГМ с более высокими показателями надежности и производительности является важной и актуальной проблемой.
Особенностью работы электроприводов горных машин является стохастически изменяющийся в большом диапазоне характер их нагружения и возможные стопорения исполнительного органа. Наличие упругой податливости в элементах трансмиссии ГМ совместно с изменяющейся нагрузкой способствует постоянному присутствию переходных процессов в механических передачах. Следствием этого и одной из основных причин поломок элементов трансмиссий ГМ является накопление в них усталостных повреждений. Особую роль при этом играют пиковые нагрузки, существенно ускоряющие накопление усталостных повреждений деталей.
Статистические исследования показывают, что существенная доля отказов ГМ связана с выходом из строя элементов трансмиссии их главных приводов. Так, на элементы трансмиссии угледобывающих комбайнов приходится около 25 % всех отказов, а длительность простоев карьерных экскаваторов, вызванных ликвидацией поломок элементов трансмиссии, составляют около 50 - 65 % от общего времени аварийных простоев.
Решение проблемы повышения эксплуатационной надежности механических подсистем электроприводов горных машин в настоящее время имеет два основных направления, одно из которых заключается в совершенствовании механических преобразователей, а второе – в использовании управляемого электропривода, осуществляющего управление упругими напряжениями в элементах трансмиссии без снижения момента на рабочем органе горной машины.
При этом второе направление имеет такие достоинства, как возможность применения управляемого электропривода в составе ранее разработанных и находящихся в эксплуатации горных машин без существенных изменений их конструкции, а также позволяет увеличить эксплуатационную надежность ГМ в тех случаях, когда конструктивные меры полностью исчерпаны.
Управляемый электропривод при обеспечении заданной производительности ГМ должен поддерживать механическую нагрузку на элементы трансмиссии в допустимом диапазоне, для уменьшения интенсивности накопления усталостных повреждений и исключения аварийных ситуаций.
С точки зрения анализа существующих систем регулируемых электроприводов ГМ можно выделить две их основные разновидности. Первый тип применяется на таких машинах, например, как очистные комбайны. В них, при неуправляемом приводе резания горной породы, регулируется скорость подачи исполнительного органа, в зависимости от крепости породы с использованием обратной связи по току двигателя привода резания. При этом стабилизируется средняя нагрузка на привод резания, за счет чего исключаются его статические перегрузки.
Ко второму типу относятся системы, которые обеспечивают требуемое качество регулирования координат электропривода, например, промышленная система подчиненного регулирования координат, используемая на карьерных экскаваторах. Применение таких систем управления позволяет добиться требуемого качества переходных процессов для скорости движения исполнительного органа, но при этом, как и в первом случае, отсутствует управление динамическим состоянием элементов механических передач электроприводов.
Исследованием динамических процессов в приводах горных машин и вопросами, связанными с управлением этими процессами, занимались такие ученые, как Г.И. Бабокин, В.Г. Базилевский, Б.В. Боровой, В.А Бреннер, Р.М. Валиев, Д.П. Волков, Ю.Я. Вуль, П.Д. Гаврилов, А.В Докукин, Е.К. Ещин, В.Д. Земляков, С.Л. Иванов, Д.А. Каминская, В.Г. Каширских, В.И. Ключев, Ю.Д. Красников, В.Ф. Кузнецов, А.И. Кухтенко, М.С. Ломакин, А.В. Ляхомский, Г.Я. Пятибратов, С.В. Солод, Б.Я. Стариков, В.Н. Фащиленко, З.Я. Хургин и многие другие. Большинство работ в этой области направлено на решение задачи снижения динамических нагрузок в конкретных типах горных машин и для определенных режимов их работы.
Представленные в диссертационной работе исследования направлены на дальнейшее развитие концепции построения электроприводов горных машин, позволяющих управлять динамическим состоянием их механических подсистем, с использованием наиболее перспективного управляемого асинхронного электропривода на базе двигателя с короткозамкнутым ротором.
Снижение динамической нагруженности элементов механических преобразователей электроприводов горных машин в процессе их работы является важной научной проблемой и ее актуальность определяется не только потребностями практики, но и необходимостью использования полученных результатов для дальнейших научных исследований.
Актуальность работы подтверждается тем, что она выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2000-2006 годы» (проект У0043) и по гранту Губернатора Кемеровской области для поддержки молодых ученых-кандидатов наук (2006 г.).
Цель работы – разработка научных основ, методов и средств, направленных на совершенствование электромеханических систем горных машин для решения проблемы управления динамическим состоянием их электроприводов, повышения уровня их эксплуатации и применения в проектной практике.
Идея работы заключается в использовании управляемого асинхронного электродвигателя в качестве безынерционного источника электромагнитного момента, осуществляющего формирование силового управляющего воздействия на механическое передаточное устройство электропривода горной машины для управления его динамическим состоянием.
Задачи исследований.
-
Разработать концепцию построения электроприводов горных машин, позволяющих управлять динамическим состоянием механических преобразователей.
-
Исследовать возможность придания асинхронному электродвигателю свойств управляемого безынерционного источника электромагнитного момента, применительно к использованию его в электроприводах горных машин.
-
Разработать алгоритмы управления электромагнитным моментом, придающие асинхронному электродвигателю свойства безынерционного источника момента, для различных вариантов структуры электрической подсистемы электропривода.
-
Разработать алгоритмы, позволяющие управлять упругими моментами и силами в механических передачах и металлоконструкциях горных машин.
-
Сформулировать требования к конструкции и разработать математическую модель электромеханического преобразователя энергии, позволяющего одновременно управлять упругими моментами и силами в трансмиссии и в элементах металлоконструкций горных машин.
-
Разработать наблюдающее устройство для динамической идентификации ряда электрических, электромагнитных и механических параметров и неизмеряемых переменных величин электропривода, необходимых для функционирования его системы управления.
-
Проанализировать эффективность использования разработанных методов, технических решений и алгоритмов управления на примере конкретных горных машин.
Методы исследований. В процессе выполнения работы использовались: теория обобщенной электрической машины; метод скоростного градиента; методы синергетической теории управления; теория нечеткой логики; методы аналитического и численного решения систем дифференциальных уравнений; математические методы оценивания: рекуррентный метод наименьших квадратов, расширенный фильтр Калмана; методы анализа случайных процессов; методы фильтрации с использованием цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой; компьютерное моделирование динамических процессов в разработанной системе управляемого электропривода и при реализации разработанных методов идентификации; лабораторные и промышленные испытания разработанных устройств.
Реализация алгоритмов управления и динамической идентификации параметров и неизмеряемых переменных величин электроприводов производилась в среде Delphi и с использованием языков программирования С/С++.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Асинхронный электродвигатель, питаемый от автономного инвертора напряжения и управляемый на основе разработанных алгоритмов управления, является безынерционным источником электромагнитного момента для механических подсистем горных машин.
-
Алгоритмы управления механическими координатами электроприводов обеспечивают управление динамическим состоянием горных машин, независимо от причин возникновения динамических составляющих нагрузок в их механических передаточных устройствах.
-
Одновременное снижение динамических нагрузок, как в элементах трансмиссии, так и в металлоконструкциях горных машин, обеспечивается при использовании управляемой электромеханической системы, отличающейся тем, что она состоит из двух асинхронных двигателей, статор одного из которых жестко связан с ротором второго.
-
Проводить динамическую идентификацию асинхронного электродвигателя и механической подсистемы горной машины возможно на основе полученных математических моделей состояния и цепи измерения электроприводов и информации, содержащейся в токах и напряжениях, а также в угловой скорости вращения вала двигателя, в процессе рабочего функционирования электропривода.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением математических методов и моделей, адекватность которых реальным процессам подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований; удовлетворительной сходимостью результатов, полученных теоретически и экспериментально при проведении лабораторных и промышленных испытаний; применением современного оборудования; согласованностью результатов компьютерного моделирования исследуемых процессов с экспериментальными данными; результатами статистического анализа шумов измерительной системы для проверки соответствия их параметров требованиям фильтра Калмана при его использовании для целей идентификации.
Положительные результаты, полученные при проведении лабораторных и промышленных испытаний, подтверждают правильность предложенных методов, технических решений, научных положений и выводов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработаны новые способы управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя на основе метода скоростного градиента, придающие ему свойства безынерционного источника момента при различных вариантах структуры электрической подсистемы.
-
Выявлено, что асинхронный двигатель, питаемый от автономного инвертора напряжения с регуляторами электромагнитного момента, построенными на базе полеориентированного управления, прямого управления моментом и градиентного управления, является безынерционным источником момента по отношению к механическим подсистемам электроприводов горных машин, что позволяет упростить процедуру синтеза алгоритмов управления механическими координатами.
-
Получены алгоритмы управления для регуляторов упругих моментов, отличающиеся тем, что позволяют поддерживать упругий момент на заданном уровне, независимо от изменяющегося момента сопротивления, при любых внешних воздействиях.
-
Сформулированы требования к конструкции и получена математическая модель электромеханической системы, позволяющей независимо воздействовать на упругие моменты в трансмиссии и в элементах металлоконструкций, на основании чего разработаны алгоритмы управления их динамической нагруженностью.
-
Установлена зависимость между вероятностными характеристиками нагрузки, действующей на исполнительный орган горной машины, и диапазоном изменения скорости движения исполнительного органа, необходимым для стабилизации нагрузок на элементы трансмиссии, на основании чего разработаны регуляторы скорости с применением методов нечеткой логики и адаптивные регуляторы.
-
Разработан новый комплекс алгоритмов для динамической идентификации ряда электрических, электромагнитных и механических параметров и неизмеряемых переменных величин асинхронных электроприводов горных машин на основе рекуррентного метода наименьших квадратов, расширенного фильтра Калмана и фильтров дифференциаторов с конечной импульсной характеристикой, необходимых для работы предложенной системы управления электроприводов.
-
Получена математическая модель электроприводов напора и подъема для экскаваторов с канатно-полиспастной системой выдвижения рукояти, учитывающая их взаимосвязь и изменения параметров.
-
Разработан комплекс алгоритмов для управления электроприводами напора и подъема одноковшового экскаватора с канатно-полиспастной системой выдвижения рукояти, позволяющих улучшить динамическое состояние механических подсистем этих приводов.
Практическое значение работы заключается в разработке алгоритмов управления динамическим состоянием электроприводов горных машин, обеспечивающих повышение их долговечности; в разработке алгоритма градиентного управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя; в исследовании динамических свойств систем управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя; в разработке способа снижения вибраций металлоконструкций горных машин, вызванных взаимодействием рабочего органа с забоем; в разработке алгоритмов для системы управления электроприводов экскаватора с канатно-полиспастной системой выдвижения рукояти; в разработке рекомендаций по синтезу и настройке алгоритмов управления и динамической идентификации параметров и переменных величин электроприводов горных машин; в разработке мобильной измерительной системы, позволяющей производить оценку динамических нагрузок одноковшовых экскаваторов в процессе их эксплуатации; в разработке стенда для испытаний асинхронных двигателей и их систем управления; в разработке программных средств, позволяющих реализовать разработанные алгоритмы и осуществлять анализ динамических процессов, протекающих в электроприводах горных машин.
Личный вклад заключается в решении проблемы управления динамическим состоянием механических подсистем электроприводов горных машин путем формирования асинхронным электродвигателем силового управляющего воздействия.
В рамках отдельных разделов диссертации личный вклад автора заключается: в построении обобщенной математической модели электромеханических систем электроприводов горных машин, учитывающей особенности работы как электрических, так и механических компонент; в разработке алгоритмов, позволяющих управлять электромагнитным моментом асинхронного двигателя, упругими моментами в трансмиссии и металлоконструкциях, а также скоростью рабочего органа горных машин; в разработке методов динамической идентификации электрических, электромагнитных и механических параметров и переменных величин электроприводов горных машин; в обосновании структуры электромеханической системы, позволяющей одновременно формировать упругие силы в элементах трансмиссии и в металлоконструкциях горных машин; в разработке математической модели и регуляторов для электроприводов напора и подъема одноковшового карьерного экскаватора.
Автор принимал непосредственное участие в разработке программных средств и проведении экспериментальных и вычислительных исследований, в обработке и анализе полученных результатов по всем разделам диссертации.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Опытный образец преобразователя частоты с градиентным управлением электромагнитным моментом прошел промышленные испытания в условиях ОАО "Электромашина" и принят к внедрению.
Компьютерная система для идентификации параметров и состояния асинхронного двигателя прошла промышленные испытания в условиях поверхностного технологического комплекса ОАО «Шахта Заречная».
Система мониторинга динамического состояния электроприводов одноковшовых экскаваторов прошла испытания в Кузбассе в условиях разреза "Вахрушевский" ОАО УК "Кузбассразрезуголь", а в условиях ОАО "Междуречье" по результатам успешных испытаний рекомендована к внедрению.
Были произведены испытания преобразователя частоты с градиентным управлением моментом и наблюдающего устройства для двухмассовой механической системы на специально разработанном на кафедре электропривода и автоматизации Кузбасского государственного технического университета универсальном компьютеризированном испытательном стенде. Этот стенд используется как для научных исследований, так и в учебном процессе студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов». Научный материал работы используется также в учебном процессе этой специальности в курсах «Теория электропривода» и «Системы управления электроприводов».
Апробация работы.
Основное содержание работы, ее отдельные положения и результаты докладывались и получили одобрение на следующих конференциях:
Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы развития автоматизированного электропривода» (г. Новокузнецк, 2002 г.); Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.); IV Всероссийская научно-практическая конференция «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (г. Новокузнецк, 2003 г.); II Всероссийская научно-практическая конференция «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях» (г. Новокузнецк, 2004 г.); XVII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-17» (г. Кострома, 2004 г.); Х Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово 2004 г.); Международная научно-практическая конференция «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2004 г.); научный симпозиум «Неделя горняка-2004» (МГГУ, г. Москва, 2004 г.); Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2005 г.); III Всероссийская научно-практическая конференция «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях» (г. Новокузнецк, 2006 г.); ХI Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири – Сибресурс 2006» (г. Кемерово 2006 г.); ХХ Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-20» (г. Ярославль, 2007 г.); I Всероссийская научно-техническая конференция «Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса» (г. Кемерово, 2007 г.); III научно-техническая конференция с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии ЭЭЭ-2007» (г. Новосибирск, 2007 г.); Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2007 г.); Международная научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2007 г.); VII Международная научно-практическая конференция «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» (г. Кемерово, 2007 г.); V China-Russia symposium on underground and building engineering of city and mine «Advances in geotechnical and structural engineering» (Qingdao, China 2008); ежегодные научно-технические конференции КузГТУ (г. Кемерово, 1999-2008 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 печатных работ, в состав которых входят монография и патент на изобретение. При этом 50 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти разделов, заключения, приложений и содержит 327 страниц текста, 127 рисунков, 24 таблиц и список литературы из 223 наименований.
