Управление динамическим состоянием асинхронных электроприводов горных машин
На правах рукописи
Завьялов Валерий Михайлович УПРАВЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ГОРНЫХ МАШИН Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Кемерово – 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» Научный консультант – доктор технических наук, профессор Каширских Вениамин Георгиевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Букреев Виктор Григорьевич доктор технических наук, профессор Носырев Михаил Борисович доктор технических наук, профессор Пугачев Емельян Васильевич
Ведущая организация: ОАО «Угольная компания «Кузбассразрезуголь»
Защита состоится 12 ноября 2009 г. в часов на заседании диссертацион ного совета Д 212.102.01 в Государственном образовательном учрежде нии высшего профессионального образования «Кузбасский государствен ный технический университет» по адресу:
650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Факс: (3842) 36-16- E-mail:[email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного обра зовательного учреждения высшего профессионального образования «Куз басский государственный технический университет».
Автореферат разослан _ 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А. Г. Захарова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Горные машины (ГМ) занимают централь ное место в технологической цепи добычи полезных ископаемых. Очевид но, что надежность их работы напрямую влияет на эффективность ведения горных работ.
Практика эксплуатации показывает, что отечественные ГМ суще ственно уступают зарубежным аналогам, как по производительности, так и по надежности, поэтому модернизация имеющихся и разработка новых отечественных ГМ с более высокими показателями надежности и произво дительности является важной и актуальной проблемой.
Особенностью работы электроприводов горных машин является сто хастически изменяющийся в большом диапазоне характер их нагружения и возможные стопорения исполнительного органа. Наличие упругой подат ливости в элементах трансмиссии ГМ совместно с изменяющейся нагруз кой способствует постоянному присутствию переходных процессов в ме ханических передачах. Следствием этого и одной из основных причин по ломок элементов трансмиссий ГМ является накопление в них усталостных повреждений. Особую роль при этом играют пиковые нагрузки, суще ственно 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 меха нических подсистем электроприводов горных машин в настоящее время имеет два основных направления, одно из которых заключается в совер шенствовании 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 возмож ность применения управляемого электропривода в составе ранее разрабо танных и находящихся в эксплуатации горных машин без существенных изменений их конструкции, а также позволяет увеличить эксплуатацион ную надежность ГМ в тех случаях, когда конструктивные меры полностью исчерпаны.
Управляемый электропривод при обеспечении заданной производи тельности 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 элек троприводов 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 по роды с использованием обратной связи по току двигателя привода резания.
При этом стабилизируется средняя нагрузка на привод резания, за счет че го исключаются его статические перегрузки.
Ко второму типу относятся системы, которые обеспечивают требуе мое качество регулирования координат электропривода, например, про мышленная система подчиненного регулирования координат, используе мая на карьерных экскаваторах. Применение таких систем управления поз воляет добиться требуемого качества переходных процессов для скорости движения исполнительного органа, но при этом, как и в первом случае, от сутствует 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. Кух тенко, М.С. Ломакин, А.В. Ляхомский, Г.Я. Пятибратов, С.В. Солод, Б.Я. Стариков, В.Н. Фащиленко, З.Я. Хургин и многие другие. Большин ство работ в этой области направлено на решение задачи снижения дина мических нагрузок в конкретных типах горных машин и для определенных режимов их работы.
Представленные в диссертационной работе исследования направле ны на дальнейшее развитие концепции построения электроприводов гор ных машин, позволяющих управлять динамическим состоянием их меха нических подсистем, с использованием наиболее перспективного управля емого асинхронного электропривода на базе двигателя с короткозамкну тым 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 по лученных 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 Гу бернатора 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 асинхрон ного электродвигателя в качестве безынерционного источника электромаг нитного момента, осуществляющего формирование силового управляю щего воздействия на механическое передаточное устройство электропри вода горной машины для управления его динамическим состоянием.
Задачи исследований.
1. Разработать концепцию построения электроприводов горных машин, позволяющих управлять динамическим состоянием механических преобразователей.
2. Исследовать возможность придания асинхронному электродвигате лю свойств управляемого безынерционного источника электромаг нитного момента, применительно к использованию его в электро приводах горных машин.
3. Разработать алгоритмы управления электромагнитным моментом, придающие асинхронному электродвигателю свойства безынерци онного источника момента, для различных вариантов структуры электрической подсистемы электропривода.
4. Разработать алгоритмы, позволяющие управлять упругими момента ми и силами в механических передачах и металлоконструкциях гор ных машин.
5. Сформулировать требования к конструкции и разработать математи ческую модель электромеханического преобразователя энергии, поз воляющего одновременно управлять упругими моментами и си лами в трансмиссии и в элементах металлоконструкций горных ма шин.
6. Разработать наблюдающее устройство для динамической идентифи кации ряда электрических, электромагнитных и механических пара метров и неизмеряемых переменных величин электропривода, необ ходимых для функционирования его системы управления.
7. Проанализировать эффективность использования разработанных ме тодов, технических решений и алгоритмов управления на примере конкретных горных машин.
Методы исследований. В процессе выполнения работы использо вались: теория обобщенной электрической машины;
метод скоростного градиента;
методы синергетической теории управления;
теория нечеткой логики;
методы аналитического и численного решения систем дифферен циальных уравнений;
математические методы оценивания: рекуррентный метод наименьших квадратов, расширенный фильтр Калмана;
методы ана лиза случайных процессов;
методы фильтрации с использованием цифро вых фильтров с конечной импульсной характеристикой;
компьютерное моделирование динамических процессов в разработанной системе управ ляемого электропривода и при реализации разработанных методов иден тификации;
лабораторные и промышленные испытания разработанных устройств.
Реализация алгоритмов управления и динамической идентификации параметров и неизмеряемых переменных величин электроприводов произ водилась в среде Delphi и с использованием языков программирования С/С++.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Асинхронный электродвигатель, питаемый от автономного инверто ра напряжения и управляемый на основе разработанных алгоритмов управления, является безынерционным источником электромагнит ного момента для механических подсистем горных машин.
2. Алгоритмы управления механическими координатами электропри водов обеспечивают управление динамическим состоянием горных машин, независимо от причин возникновения динамических состав ляющих нагрузок в их механических передаточных устройствах.
3. Одновременное снижение динамических нагрузок, как в элемен тах трансмиссии, так и в металлоконструкциях горных машин, обес печивается при использовании управляемой электромеханической системы, отличающейся тем, что она состоит из двух асинхрон ных двигателей, статор одного из которых жестко связан с ротором второго.
4. Проводить динамическую идентификацию асинхронного электро двигателя и механической подсистемы горной машины возможно на основе полученных математических моделей состояния и цепи измерения электроприводов и информации, содержащейся в то ках и напряжениях, а также в угловой скорости вращения вала дви гателя, в процессе рабочего функционирования электропривода.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением математических методов и моделей, адекватность которых реальным процессам подтвер ждена результатами теоретических и экспериментальных исследований;
удовлетворительной сходимостью результатов, полученных теоретически и экспериментально при проведении лабораторных и промышленных ис пытаний;
применением современного оборудования;
согласованностью ре зультатов компьютерного моделирования исследуемых процессов с экспе риментальными данными;
результатами статистического анализа шу мов измерительной системы для проверки соответствия их параметров требованиям фильтра Калмана при его использовании для целей иденти фикации.
Положительные результаты, полученные при проведении лаборатор ных и промышленных испытаний, подтверждают правильность предло женных методов, технических решений, научных положений и выводов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны новые способы управления электромагнитным момен том асинхронного двигателя на основе метода скоростного градиен та, придающие ему свойства безынерционного источника момен та при различных вариантах структуры электрической подсисте мы.
2. 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 безы нерционным источником момента по отношению к механическим подсистемам электроприводов горных машин, что позволяет упро стить процедуру синтеза алгоритмов управления механическими ко ординатами.
3. Получены алгоритмы управления для регуляторов упругих момен тов, отличающиеся тем, что позволяют поддерживать упругий мо мент на заданном уровне, независимо от изменяющегося момента сопротивления, при любых внешних воздействиях.
4. Сформулированы требования к конструкции и получена математиче ская модель электромеханической системы, позволяющей независи мо воздействовать на упругие моменты в трансмиссии и в элементах металлоконструкций, на основании чего разработаны алгоритмы управления их динамической нагруженностью.
5. 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.
6. Разработан новый комплекс алгоритмов для динамической иденти фикации ряда электрических, электромагнитных и механических па раметров и неизмеряемых переменных величин асинхронных элек троприводов горных машин на основе рекуррентного метода наименьших квадратов, расширенного фильтра Калмана и фильтров дифференциаторов с конечной импульсной характеристикой, необ ходимых для работы предложенной системы управления электро приводов.
7. Получена математическая модель электроприводов напора и подъ ема для экскаваторов с канатно-полиспастной системой выдвижения рукояти, учитывающая их взаимосвязь и изменения параметров.
8. Разработан комплекс алгоритмов для управления электроприводами напора и подъема одноковшового экскаватора с канатно полиспастной системой выдвижения рукояти, позволяющих улуч шить динамическое состояние механических подсистем этих приво дов.
Практическое значение работы заключается в разработке алгорит мов управления динамическим состоянием электроприводов горных ма шин, обеспечивающих повышение их долговечности;
в разработке алго ритма градиентного управления электромагнитным моментом асинхронно го двигателя;
в исследовании динамических свойств систем управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя;
в разработке спо соба 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 пара метров и переменных величин электроприводов горных машин;
в разра ботке 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 динамиче ских процессов, протекающих в электроприводах горных машин.
Личный вклад заключается в решении проблемы управления дина мическим состоянием механических подсистем электроприводов горных машин путем формирования асинхронным электродвигателем силового управляющего воздействия.
В рамках отдельных разделов диссертации личный вклад автора за ключается: в построении обобщенной математической модели электроме ханических систем электроприводов горных машин, учитывающей осо бенности работы как электрических, так и механических компонент;
в раз работке алгоритмов, позволяющих управлять электромагнитным момен том асинхронного двигателя, упругими моментами в трансмиссии и метал локонструкциях, а также скоростью рабочего органа горных машин;
в раз работке методов динамической идентификации электрических, электро магнитных и механических параметров и переменных величин электро приводов горных машин;
в обосновании структуры электромеханической системы, позволяющей одновременно формировать упругие силы в эле ментах 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 программ ных средств и проведении экспериментальных и вычислительных исследо ваний, в обработке и анализе полученных результатов по всем разделам диссертации.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Опытный образец преобразователя частоты с градиентным управле нием 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 по верхностного 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 градиент ным управлением моментом и наблюдающего устройства для двухмассо вой механической системы на специально разработанном на кафедре элек тропривода 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 ав томатика 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 разви тия автоматизированного электропривода» (г. Новокузнецк, 2002 г.);
Меж дународная научно-техническая конференция «Электроэнергетика, элек тротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.);
IV Всероссий ская научно-практическая конференция «Системы автоматизации в обра зовании, науке и производстве» (г. Новокузнецк, 2003 г.);
II Всероссийская научно-практическая конференция «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отрас лях» (г. Новокузнецк, 2004 г.);
XVII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-17» (г. Ко строма, 2004 г.);
Х Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово 2004 г.);
Международная научно-практическая конференция «Энергетическая без опасность 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 Си бири – 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 конферен ция «Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Куз басса» (г. Кемерово, 2007 г.);
III научно-техническая конференция с меж дународным участием «Электротехника, электромеханика и электротехно логии ЭЭЭ-2007» (г. Новосибирск, 2007 г.);
Международная научно техническая конференция «Электромеханические преобразователи энер гии» (г. Томск, 2007 г.);
Международная научно-практическая конферен ция «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 ра бот, в состав которых входят монография и патент на изобретение. При этом 50 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК для док торских диссертаций.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти разделов, заключения, приложений и содержит 327 страниц текста, 127 рисунков, таблиц и список литературы из 223 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении рассмотрено состояние проблемы, обоснована актуаль ность, сформулированы цель и основные задачи работы.
В первой главе проведен анализ условий работы электроприводов горных машин (ГМ) и направлений их совершенствования.
Эксплуатация электроприводов ГМ сопровождается переходными процессами в их элементах. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, на исполнительный орган ГМ действует изменяющаяся случайным образом нагрузка, а, с другой стороны, оператор формирует управляющее воздей ствие на электропривод, которое также можно считать случайной функци ей времени, определяемой квалификацией оператора и характеристиками разрушаемой горной породы. Эти воздействия, а также наличие упругой податливости элементов трансмиссии ГМ, способствуют возникновению в них механических колебательных переходных процессов. Амплитуда ме ханических напряжений в элементах трансмиссии при этом может в не сколько раз превышать среднее значение, в результате чего в них происхо дит интенсивное накопление усталостных повреждений. Существенная до ля аварийных простоев ГМ вызвана выходом из строя механических эле ментов именно по этой причине.
Одним из способов повышения долговечности механических подси стем ГМ является снижение в них динамических нагрузок средствами управляемого электропривода. Этим вопросом занимались такие ученые, как Р.М. Валиев, П.Д. Гаврилов, Е.К. Ещин, Д.А. Каминская, В.И. Ключев, М.С. Ломакин, А.В. Ляхомский, Г.Я. Пятибратов, В.Н. Фащиленко, В.И. Янцен и многие другие.
В работах этих ученых рассмотрены вопросы демпфирования и ак тивного ограничения электроприводом упругих колебаний и при этом большинство из них основано на рассмотрении электромеханической си стемы с двигателем постоянного тока и привязано к определенным типам горных машин.
Эти работы имеют большое теоретическое и практическое значение и являются исходной базой при проведении представленных в настоящей диссертационной работе исследований. Успехи последних лет в развитии силовых полупроводниковых преобразователей и микропроцессорной тех ники привели к появлению управляемого асинхронного электропривода с высокими динамическими свойствами. Использование такого электропри вода в структуре горных машин дает возможность решить проблему управления динамическим состоянием его механических подсистем на но вом техническом и научном уровне.
На основе проведенного анализа сформулирована цель работы и определены задачи исследований.
Во второй главе на основе анализа перспективных направлений со вершенствования электроприводов ГМ сформулированы требования и обоснована структура электропривода, необходимая для реализации этих требований.
На функциональной схеме, приведенной на рис.1, приняты следую щие обозначения: СУ – система управления электропривода;
РС – регуля тор скорости;
РУМ – регулятор упругого момента;
РМ – регулятор элек тромагнитного момента двигателя;
ЭЧП – электрическая часть привода, включающая в себя электрический преобразователь энергии и обмотки электродвигателя;
МП – механический преобразователь (трансмиссия ГМ);
БИМ – безынерционный источник момента;
НУ – наблюдающее устрой ство;
* – заданное значение угловой скорости движения рабочего органа;
М*у – заданное значение упругого момента;
М* – заданное значение элек тромагнитного мо мента;
U – напряже ние, подводимое к статору двигателя;
М – электромагнитный момент двигателя;
Мс – момент сопро тивления;
– угло вая скорость движе ния исполнительного органа;
Yэм, Yм – векторы измеряемых электромагнитных и Рис. 1. Функциональная схема электропривода механических пере- горной машины менных;
эм, м – векторы оцененных электромагнитных и механических переменных.
При определении структуры электропривода учитывались следую щие требования:
1. Обеспечение быстродействия и точности регулирования скорости движения исполнительного органа, необходимых для обеспечения требуемой производительности ГМ.
2. Снижение динамических нагрузок в механических элементах элек тропривода, вызванных изменением сил сопротивления и процесса ми разгона и торможения исполнительного органа.
3. Снижение влияния действий оператора на формирование динамиче ских нагрузок в механических элементах электропривода.
4. Использование в качестве приводных машин асинхронных электро двигателей с короткозамкнутым ротором (АД).
5. Возможность создания унифицированных элементов системы управ ления, применимых для разного типа горных машин.
Исходя из перечисленных требований, в разрабатываемой системе присутствует три контура регулирования. Внутренним контуром является контур регулирования электромагнитного момента двигателя, обладающий свойствами безынерционного источника момента (БИМ) и включающий в себя АД и автономный инвертор напряжения с регулятором электромаг нитного момента.
Вторым контуром регулирования является контур регулирования упругих моментов и упругих сил. Для упрощения изложения в дальнейшем будем говорить только об упругих моментах, подразумевая при этом и упругие силы.
Использование гипотезы о безынерционном источнике момента су щественно упрощает процедуру синтеза регулятора упругого момента, по скольку в модели объекта управления электрическая подсистема при этом рассматривается как пропорциональное звено.
Внешним контуром системы управления является контур регулиро вания скорости движения исполнительного органа, определяющей произ водительность ГМ. Требования к этому контуру неоднозначны. Во-первых, он должен обеспечить необходимую точность регулирования скорости движения исполнительного органа. С другой стороны, его выходной сиг нал является заданием для контура регулирования упругого момента, из менение которого будет определять уровень динамических нагрузок в трансмиссии. Таким образом, вторым требованием к контуру регулирова ния скорости будет минимизация динамичности его выходного сигнала.
Следует отметить, что использование структуры, приведенной на рис. 1, позволяет унифицировать блоки в виде безынерционного источника момента и регулятора скорости, применяя их без изменения практически для любых горных машин, осуществляющих выемку горной массы из за боя. В свою очередь, регулятор упругого момента и наблюдающее устрой ство базируются на моделях механических подсистем, которые могут су щественно отличаться для разных типов горных машин. В этом случае можно выполнять их в виде унифицированных блоков для отдельных ти пов ГМ.
Во второй главе также представлены математические модели асин хронного электродвигателя на базе уравнений обобщенной электрической машины, автономного инвертора напряжения, основанного на векторной широтно-импульсной модуляции, и механических преобразователей энер гии, представленных в виде уравнения Лагранжа второго рода и результа тов его решения.
В третьей главе приведены исследования динамических характери стик электромеханической системы, состоящей из асинхронного электро двигателя, автономного инвертора напряжения и управляющего устрой ства, включающего в себя регулятор электромагнитного момента. В ре зультате исследований было выявлено, что данную систему можно рас сматривать в качестве безынерционного источника момента применитель но к электроприводам горных машин, если регулятором электромагнитно го момента является система с полеориентированным управлением F. Blaschke или с прямым управлением моментом I. Takahashi и T. Noguchi.
В работе предложен новый способ управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя, позволяющий реализовать БИМ при менительно к электроприводам горных машин. Этот способ управления был получен с использованием алгоритма скоростного градиента А.Л. Фрадкова. Для этого была использована модель асинхронного двига теля в виде:
x = A(x,t) + B(x,t)u, где:
- L2 R1 1 Lm R1 - L2 R1 1 Lm R1 Lm R2 1 - L1R2 2 - p 2 ;
A(x,t) = Lm R2 1 - L1R2 2 p 1 pk2 J L' ( 1 2 - 1 2 ) - M c 1 T 1 0 0 0 B(x,t) = 0 1 0 0 ;
T x=[1, 1, 2, 2, ] – вектор состояния АД;
1, 1, 2, 2 – состав ляющие векторов потокосцепления статора и ротора;
u=[u1, u1]T – вектор входных (управляющих) воздействий;
u1, u1 – составляющие вектора напряжения статора;
k2=Lm/(Lm+L2);
L'1=L1+k2L2;
=1/(L1L2-Lm2).
Цель управления представлена функционалом:
Q ( pk 2 L '1 ( 1 2 - 1 2 ) - M * (t )) 2 ( 12 12 - 1 (t )) 2.
* В результате был получен алгоритм формирования составляющих вектора напряжения статора по осям -, необходимый для достижения цели управления:
u1 - -h11 pk2 / L1 ( pk2 / L1 ( 1 2 - 1 2 ) - M * ) ' ' 2h22 ( 12 12 - 1*2 ) 1 dt;
u1 - h11 pk2 / L1 ( pk2 / L1 ( 1 2 - 1 2 ) - M * ) ' ' 2h22 ( 12 12 - 1*2 ) 1 dt, где, h11, h22 – постоянные коэффициенты.
Данный алгоритм был приведен к виду:
M -M* 1 - 1* u1 - 1 1 dt;
12H MH M -M* 1 - 1* u1 - 1 1 dt, MH 12H где МН, 1Н – номинальные значения электромагнитного момента и модуля вектора потокосцепления статора двигателя.
Функциональная схема, реализующая данный алгоритм, представле на на рис. 2. Она включает в себя интегральный регулятор потокосцепле ния РП, интегральный регулятор момента РМ, автономный инвертор напряжения АИН и наблюдающее устройство НУ, в котором происходит вычисление значений вектора потокосцепления статора, его модуля и электромагнитного момента двигателя.
На рис. 3 и рис. 4 пред ставлены заданное и отрабаты ваемое значения электромаг нитного момента двигателя при синусоидальном задании вход ного воздействия для систем с полеориентированным управле нием, прямым управлением мо- Рис. 2. Структура системы ментом и градиентным управле- управления асинхронным двигателем нием моментом. Несовпадение графиков на начальном участке вызвано процессом намагничивания элек трической машины, поэтому при использовании данных систем в составе безынерционного источника момента необходимо осуществлять предвари тельное намагничивание двигателя.
Следует отметить, что при реализации системы градиентного управ ления моментом не требуется выполнять координатных преобразований, как, например, в полеориентированном управлении, и не требуется знание параметров АД, кроме активного сопротивления статора, которое исполь зуется в наблюдающем устройстве при определении вектора потокосцеп ления. В то же время, результаты исследований показывают, что точность регулирования момента АД, как в статике, так и в динамике, не уступает другим известным способам.
Разработан также способ градиентного управления для варианта многодвигательного электропривода, питающегося от одного преобразова теля частоты на основе зависимостей:
N M -M * 1i - 1* u1 - hi 1 i dt ;
1 i i i i i 1 12Hi M Hi N M -M * 1i - 1* u1 - hi 1 i dt, 1 i i i i i 1 M Hi 12Hi где N – количество электродвигателей.
Результаты моделирования работы этой системы представлены на рис. 5. Проведенные исследования данного способа управления показали, что он может использоваться при реализации безынерционного источника момента для многодвигательного электропривода.
В четвертой главе описаны разработанные алгоритмы управления упругими моментами в элементах трансмиссии. При синтезе алгоритмов управления упругими моментами использовались методы синергетиче ской теории управления А.А. Колесникова.
а) Рис. 4. Электромагнитный момент асинхронного двигателя при градиентном управлении б) Рис. 3. Электромагнитный момент асинхронного двигателя: а) при полеориентированном Рис. 5. Регулирование момента управлении;
б) при прямом управлении моментом двухдвигательного электропривода При разработке регулятора упругого момента учитывалось, что в системе управления присутствует безынерционный источник момента.
Это позволило осуществить синтез ал горитмов управления, основываясь Рис. 6. Канал регулирования только на математической модели ме упругого момента ханического преобразователя, считая, что величина электромагнитного момента М, равная М*, является для него управляющим воздействием, как это показано на рис. 6.
В общем случае, механические передачи горных машин включают в себя большое количество элементов, в них присутствуют механические за зоры. При работе ГМ на элементы трансмиссии действуют диссипативные силы. Однако исследования протекающих в них динамических процессов показывают, что во многих случаях расчетные схемы механических пере дач могут быть упрощены до двухмассовой системы.
Учитывая, что механические зазоры при управляемом электроприво де достаточно просто выбираются в процессе пуска, а диссипативные силы по своей физической сущности способствуют естественному затуханию упругих колебаний, синтез алгоритма управления для регулятора упругого момента осуществлялся с использованием модели двухмассовой системы в виде:
1 ( M - M 1,2 ) / J1;
2 ( M 1,2 - M C ) / J 2 ;
M 1,2 C1,2 (1 - 2 ), где 1, 2, J1, J2 – угловые скорости и моменты инерции первой и второй масс;
М – момент сил, прикладываемый к системе (управляющее воздей ствие);
М1,2 – упругий момент;
МС – момент сопротивления (возмущающее воздействие);
С1,2 – коэффициент жесткости упругой связи.
На основании этой модели получен алгоритм:
J M M 1,2 1 ( M 1,2 - M C ) J 1 1 J - J 1 (1 - 2 ) - * ( M 1,2 - M 1,2 ), T1 T2 T1T2C1, где Т1, Т2 – постоянные времени, определяющие скорость приближения значения упругого момента к заданной величине М1,2*.
Исследование данного алгоритма с помощью компьютерного моде лирования показало, что он обладает робастностью по отношению к пара метрам механической системы, а наибольшее влияние на качество управ ления оказывает постоянная составляющая ошибки в каналах измерения угловых скоростей. Для исключения этого недостатка полученная зависи мость была модернизирована и приведена к виду:
J M M 1,2 1 ( M 1,2 - M C ) J 1 1 J J - M 1,2 1 - * ( M 1,2 - M 1,2 ).
T1 T2 C1,2 T1T2C1, Для исследования особенностей работы многомассовых систем с ис пользованием данного алгоритма при формировании упругих сил в каче стве объекта была рассмотрена модель АД, питаемого от АИН с ШИМ, и модель десятимассовой механической системы с параметрами, соответ ствующими трансмиссии привода резания очистного комбайна Eickhoff SL300 с учетом диссипативных сил, присутствующих в механической пе редаче.
Модель системы управления включает в себя разработанные алго ритм градиентного управления электромагнитным моментом АД и алго ритм управления упругим моментом. Моменты инерции и коэффициенты жесткости, необходимые для реализации алгоритма управления упругим моментом, были получены путем приведения исходной десятимассовой системы к двухмассовой.
Исследования этой системы показали (рис. 7), что колебания упругих моментов имеют максимальное отклонение от среднего значения около 4 %, в то время как при нерегулируемом варианте это отклонение достига ет 50 % при тех же условиях.
Анализ характера изменения электромагнитных переменных, пока занных на рис. 8, свидетельствует, что потокосцепления поддерживаются на заданном уровне, а токи не превышают номинального значения. Таким образом, проверка работы алгоритмов подтвердила их эффективность для управления динамическим состоянием электроприводов горных машин.
В пятой главе решена задача управления скоростью рабочего органа горной машины, с учетом требований по низкой динамичности упругих моментов в элементах трансмиссии, путем формирования соответствую щего электромагнитного момента АД.
Изменение скорости рабочего органа ГМ при наличии упругих свя зей в трансмиссии определяется разностью между упругим моментом, приводящем рабочий орган в движение, и моментом сопротивления, пре пятствующим его движению. Таким образом, для стабилизации скорости необходимо изменять упругий момент с той же интенсивностью, что и мо мент сопротивления, что противоречит задаче снижения динамических нагрузок в элементах трансмиссии.
В связи с этим, в работе предложено ослабить требования к динами ческой точности регулирования скорости, введя зону ее допустимого от клонения.
Рис. 7. Моменты в десятимассовой системе: Рис. 8. Электромагнитные переменные 1) намагничивание двигателя;
2) разгон;
3) асинхронного двигателя в режимах:
работа под нагрузкой 1) намагничивание двигателя;
2) разгон;
3) работа под нагрузкой При этом, для стабилизации упругого момента, переменная состав ляющая момента сопротивления должна компенсироваться динамически ми моментами, вызванными изменением скорости движения рабочего ор гана и вала электродвигателя. При известной спектральной плотности мо мента сопротивления SMc() дисперсия угловой скорости вала электродви гателя будет определяться выражением:
1 J 22 2 S M C ( )d.
D Далее, зная дисперсию угловой скорости вала электродвигателя, можно определить плотность распределения вероятности. Таким образом, задавшись желаемой вероятностью нахождения угловой скорости вала электродвигателя в заданной области, можно определить границы области допустимого отклонения скорости рабочего органа. В случае, если ско рость выходит за заданные границы, необходимо формировать упругий момент таким образом, чтобы вернуть ее в заданную область.
Поставленная выше задача управления угловой скоростью электро привода характеризуется некоторой неоднозначностью, поскольку преду сматривает разные требования к поведению регулятора при различных со стояниях объекта управления. Эта задача решена на основе методов нечет кой логики и адаптивного управления.
При реализации регулятора скорости, основанного на нечеткой логи ке, были приняты функции принадлежности лингвистических переменных, показанные на рис. 9. Нечеткая база правил для предлагаемого регулятора показана в табл. 1. Она обеспечивает принятие такого решения, при кото ром, в случае больших отклонений угловой скорости от границ диапазона, управляющее воздействие будет формироваться только на основании лингвистических переменных набора А, а в случае нахождения угловой скорости в заданном диапазоне, управляющее воздействие будет стабили зировать величину упругого момента. Логическое заключение формирует Таблица Нечеткая база правил Решение А1 А2 А3 А4 А5 А6 А7 А8 А Rij В1 C9 C8 C8 C7 C6 C5 C4 C2 C В2 C9 C8 C7 C7 C6 C5 C3 C2 C В3 C9 C8 C7 C6 C5 C4 C3 C2 C В4 C9 C8 C7 C5 C4 C3 C3 C2 C В5 C9 C8 C6 C5 C4 C3 C2 C2 C ся на основе операции не Набор А четкой импликации по Ларсену, а дефаззифика ция логического заключе ния производится по ме тоду центра масс.
Учитывая, что осо Набор B бенностью данного регу лятора является зависи мость качества регулиро вания от опыта эксперта, осуществляющего его Набор C настройку, в работе также рассмотрены варианты адаптивных регуляторов.
Работа адаптивного регулятора с переменной Рис. 9. Функции принадлежности структурой основывается лингвистических переменных на переключениях между реализуемыми функциями * * * М1,2 =k2+A1;
М1,2 =k2+A2;
М1,2 =A3, в зависимости от текущего состояния электропривода. Эти функции графически представлены на рис. 10, соот ветственно, линиями 1, 2 и 3.
Для стабилизации упругого момента и поддержания угловой скоро сти в области, ограниченной линиями 1 и 2, необходимо осуществлять пе реключение функций в соответствии с алгоритмом, приведенным на рис.
11. Недостатком данного регулятора является сложность процесса его настройки.
Этого недостатка лишен адаптивный компенсационный регулятор, реализующий зависимость М1,2*=Мдин*+МСср, где МСср – среднее значение момента сопротивления;
Мдин* – требуемое значение динамического мо мента, необходимого для изменения угловой скорости, которое определя ется в зависимости от величины отклонения угловой скорости рабочего органа от заданной:
M дин sign(2 - 2 ), при 2 - 2 2 ;
max * * M пдин max 2* - 2 - 2 sign(2* - 2 ), M дин (2 - 2 ) * при 2 2 - 2 2 ;
* 0, при * -.
2 2 Графически эта зависимость представлена на рис. 13.
Рис. 10. Пространство состояний исполнительного органа двухмассовой механической системы Рис. 12. Результаты работы адаптивного компенсационного регулятора скорости Рис. 11. Алгоритм работы адаптивного регулятора с переменной структурой Исследование работы полученных регуляторов про водилось методом компьютер ного моделирования на базе модели электропривода реза ния очистного комбайна Eickhoff SL300. Для примера, на рис. 12 представлены ре зультаты работы адаптивного компенсационного регулятора.
Они показали, что при исполь- Рис. 13. Зависимость требуемого зовании каждого из этих регу- динамического момента от угловой ляторов угловая скорость ра- скорости рабочего органа бочего органа не выходит за границы заданного диапазона, а амплитуда колебаний упругого момента в среднем снизилась в 8 раз по сравнению с результатами работы нерегули руемого электропривода при тех же внешних условиях.
Таким образом, разработанные алгоритмы управления скоростью позволяют обеспечить требуемую производительность горных машин, од новременно улучшая динамическое состояние элементов трансмиссии электроприводов.
В шестой главе рассмотрен вопрос сни жения уровня вибраций, обусловленных воздей ствием изменяющегося электромагнитного мо мента на статор двига- Рис. 14. Упрощенная расчетная схема теля и наличием упру- сдвоенного двигателя гих элементов в метал локонструкциях горной машины, путем стабилизации упругих напряжений в них. Для этих целей предлагается использовать управляемую электроме ханическую систему, состоящую из двух асинхронных двигателей, ста тор одного из которых жестко связан с ротором второго. Получена матема тическая модель такой электромеханической системы, а ее расчетная схема представлена на рис. 14. Система имеет два канала управления. Алгоритмы управления упругими моментами соответствующих каналов основаны на зависимостях:
1 1 J M1 M 0,1 - J1 * ( M 0,1 - M 0,1 );
T1 T 2 TT2C0, 1 1 J M 2 M 3,4 - J 3 3 - 4 3 M 3,4 - M C J3 * ( M 3,4 - M 3,4 ).
T3 T4 J 4 T3T4C3, В шестой главе также приведены алго ритмы управления уг ловыми скоростями каждого из составляю щих двигателей, полу ченные с использова нием компенсационно го адаптивного регуля тора скорости.
Результаты ком пьютерного моделиро вания электромехани ческой системы с раз работанными алгорит мами управления пред ставлены на рис. 15.
Использование такой системы позволяет снизить амплитуду ко лебаний упругих сил в элементах трансмиссии Рис. 15. Результаты работы сдвоенного и металлоконструкци двигателя ях, без учета переход ных процессов пуска, на 65-80 % по отношению к амплитуде колебаний нагрузки.
В седьмой главе обоснована необходимость и представлены реше ния задачи динамической идентификации ряда электрических, электро магнитных и механических параметров и неизмеряемых переменных вели чин электропривода, необходимых для функционирования его системы управления.
Идентификация параметров обмотки статора и цепи намагничивания асинхронного двигателя основывается на данных, полученных при работе двигателя на холостом ходе. Процедура их идентификации схематично представлена на рис. 16.
В блоке 1 определяется активное сопротивление и потокосцепление статора с использованием фильтра Калмана. При этом используется мо дель состояния:
1 [ k 1] 1 [ k ] (u1 [ k ] - R1[ k ]i1 [ k ] )Td ;
1 [ k 1] 1 [ k ] (u1 [ k ] - R1[ k ]i1 [ k ] )Td ;
R 1[ k 1] R1[ k ], и модель измерения:
Me PR1, P где P i1 u1 i1 u1 ;
e1 e1 2 e1 2 ;
1 12 12 ;
PR1 i12 i12 R1 ;
M ( 1 i1 - 1 i1 ) ;
Тd – период дискретизации.
В блоке 2 рассчитывается производная тока статора. В блоке 3 на ба зе фильтра Калмана определяется индуктивность рассеяния статора. Мо дель состояния в этом случае имеет вид:
m [ k 1] m [ k ] (u1 [ k ] - i1 [ k ] R1[ k ] - i1 [ k ] L 1[ k ] )Td ;
m [ k 1] m [ k ] (u1 [ k ] - i1 [ k ] R1[ k ] - i1 [ k ] L 1[ k ] )Td ;
L 1[ k 1] L 1[ k ], а модель измерения:
P m i1 m - i1 m L 1 i1 i1 i1 i1 PR1, e m где em u1a - i1 R1 - i1 L 1 ;
em u1 - i1 R1 - i1 L 1 ;
em em em ;
m m m.
2 2 2 В блоке 4 определяется реактивная составляющая тока статора. В блоке 5 определяется индуктивность цепи намагничивания по зависимо сти:
Рис. 16. Схематическое Рис. 17. Схематическое представление процедуры представление процедуры идентификации параметров идентификации параметров обмотки статора и цепи обмотки ротора намагничивания Lm 1 / i1 - L 1, где 1 12 12 ;
i1 i12 i12.
В блоке 7 определяется полная индуктивность статора, как сумма индуктивности рассеяния статора и индуктивности цепи намагничивания.
Параметры ротора определяются из опыта пуска под нагрузкой в со ответствии с алгоритмом, который схематично представлен на рис. 17.
По измеренным токам и напряжениям в блоке 1 определяется вектор потокосцепления цепи намагничивания по уравнению:
m = u1 - i1 R1 dt - i1 L 1.
Ток ротора вычисляется блоком 2 в соответствии с выражением:
i 2 = m / Lm - i1.
Идентификация индуктивности обмотки ротора осуществляется в блоке 3, в соответствии с зависимостью:
Lm i1 i2 i1 i L2 -.
i2 i 2 Идентификация активного сопротивления ротора осуществляется блоком 5, в соответствии с зависимостью:
p1 2 2 R2.
i2 i 2 Для определения вектора потокосцепления ротора совместно с ак тивными сопротивлениями статора и ротора был использован фильтр Кал мана, для которого были приняты модель состояния:
2 [ k 1] 2 [ k ] - 2 [ k ] R2[ k ] / L2 - p1[ k ] 2 [ k ] i1 [ k ] R2[ k ] Lm / L2 Td ;
2 [ k 1] 2 [ k ] - 2 [ k ] R2[ k ] / L2 p1[ k ] 2 [ k ] i1 [ k ] R2[ k ] Lm / L2 Td ;
R1[ k 1] R1[ k ] ;
R2[ k 1] R2[ k ], и модель измерения:
L2 L1L2 - L R2 Lm Lm u1 - 2 2 - p1 2 R1 R2 2 i m m i1 ;
L L2 L2 L u - R2 Lm p Lm R R Lm i L1L2 - Lm i.
2 1 2 2 1 2 2 L2 L L2 L Анализ работы системы идентификации потокосцепления статора показал, что его использование позволяет получить робастную систему управления электромагнитным моментом двигателя по отношению к ак тивным сопротивлениям его обмоток.
Для идентификации механических координат были рассмотрены ва рианты использования фильтров дифференциаторов с конечной импульс ной характеристикой и фильтра Калмана.
При использовании фильтров дифференциаторов задача идентифи кации сводится к последовательному решению уравнений:
d 1 dM 1, M 1,2 M - J 1 1 ;
2 ;
dt C1,2 dt d N dM N -1,N 1 N N -1 ;
M C M N -1,N - J n.
CN -1,N dt dt При реализации фильтра Калмана использовалась модель двухмас совой механической системы, расширенная введением в вектор состояния момента сопротивления, а в качестве измеряемой величины использова лась угловая скорость первой массы.
В восьмой главе проведен анализ совместной работы элементов разработанной системы управления на примере механической подсистемы электроприводов одноковшового экскаватора ЭКГ-10.
Для электроприводов подъема и напора карьерного экскаватора была разработана математическая модель, учитывающая их взаимную связь и изменяющиеся параметры. Модель механической подсистемы, в соответ ствии с рис. 18, имеет следующий вид:
dн М н - rн F12 н dп М п - rп F12 п ;
;
dt Jн dt Jп dvк F12 н m рк sк - l р / 2 (mк mп )к sк - Fcн - F12 п cos - vк dmп / dt 2 ;
m р mк mп dt dк F12 п sк sin - M сп - 2m рк vк sк - l р / 2 - 2(mк mп )к vк sк - к sк dmп / dt ;
m s - l / 2 m l / 2 (m m ) s dt 2 р к р рp к п к d н d п d к ds н ;
п ;
к ;
к vк, dt dt dt dt где Jн – суммарный приведенный момент инерции первой массы электро привода напора, включающий момент инерции ротора двигателя, муфты предельного момента, тормозного шкива, зубчатой передачи и напорного барабана;
сн – приведенная жесткость канатов напорного механизма;
Jп – суммарный приведенный момент инерции первой массы электропривода подъема, включающий момент инерции ротора двигателя, муфты предель ного момента, тормозного шкива, зубчатой передачи и барабана подъем ной лебедки;
сп – суммарная приведенная жесткость канатов подъемного механизма;
mр, mк, mп – масса рукояти, ковша и породы соответственно;
Мн – электромагнитный момент двигателя напора, приведенный к скорости напорного барабана;
Мп – электромагнитный момент двигателя подъ ема, приведенный к скорости подъемного барабана;
н, п – угло вые скорости первых масс приводов напора и подъема соответствен но;
Fсн, Мсп – сила и мо мент сопротивления Рис. 18. Схематическое изображение приводов напора и конструкции приводов экскаватора ЭКГ-10 подъема соответствен но;
vк – линейная ско рость ковша;
к – угловая скорость ковша и рукояти;
– угол наклона стрелы относительно горизонта;
н, п – угловое положение напорного ба рабана и подъемного барабана соответственно;
sк – величина выбега руко яти;
к – угловое положение рукояти;
– угол наклона подъемного каната относительно рукояти;
rн – радиус напорного барабана;
rп – радиус подъ емного барабана;
lр – полная длина рукояти.
На базе этой модели была по строена система управления, струк тура которой при ведена на рис. 19, где в качестве регу лятора электромаг нитного момента использован алго Рис. 19. Структура системы управления ритм градиентного взаимосвязанными электроприводами подъема и управления момен напора карьерного экскаватора том асинхронного двигателя, а в качестве регулятора скорости – адаптивный компенсацион ный регулятор. Алгоритмы для регуляторов упругой силы (РУС) были по лучены с учетом особенностей математической модели механической под системы электроприводов.
Результаты моделирования процессов при черпании грунта экскаватором ЭКГ-10 показаны на рис. 20 и рис. 21. Для сравнения, на рис.
22 приведено изменение усилия в канате привода напора, полученное экспериментально при работе карьерного экскаватора ЭКГ-10 на разрезе «Вахрушевский» в Кузбассе, при выполнении аналогичной операции черпания.
а) а) б) б) Рис. 20. Регулирование усилий в канатах: а) Рис. 21. Регулирование скорости ковша: а) угловая упругая сила привода напора;
б) упругая сила скорость привода подъема;
б) линейная скорость привода подъема привода напора Таким образом, полученные результаты подтвердили эффек тивность разработан ных алгоритмов управ ления и динамической идентификации приме нительно к электро приводам горных ма шин.
В девятой главе приведены результа- Рис. 22. Усилие в канате привода напора ты экспериментальных экскаватора ЭКГ- испытаний, проведен ных для проверки полученных в диссертационной работе результатов.
Адекватность математической модели механической подсистемы электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора проверялась с помощью разработанной и изготовленной мобильной измерительной си стемы, включающей в себя пять измерительных станций, передающих ин формацию на базовую станцию по радиоканалу. Места установки измери тельных станций на элементах электромеханической системы приводов экскаватора ЭКГ-10 показаны на рис. 23, где цифрами 1-4 обозначены дат чики углового положения, 5 и 6 – датчики тока, 7 – базовая станция.
Процедура проверки адекватности модели заключалась в подстанов ке измеренных моментов двигателей в математическую модель и дальней шее сравнение результатов моделирования с экспериментально получен ными данными. Для примера, на рис. 24 приведены измеренная и смодели рованная упругая сила в канате привода напора.
Сравнительный анализ показал, что наиболь шая разница между из меренными и смодели рованными данными, по отношению к их максимальному значе нию, присутствует в скорости привода напо ра и составляет 25 %.
При этом средняя ошибка составляет: для Рис. 23. Места установки датчиков на угловой скорости бара экскаваторе ЭКГ бана привода напора – а) а) б) б) Рис. 25. Градиентное управление асинхронным Рис. 24. Упругая сила привода напора: а) по двигателем: а) электромагнитный момент;
б) результатам моделирования;
б) по результатам потокосцепление статора эксперимента Таблица Параметры двигателя 4AX90L4У Данные Параметры R1 L1 L1 Lm L2 R Каталожные 3,11 0,010 0,303 0,293 0,311 2, Рассчитанные 3,10 0,012 0,189 0,175 0,181 2, Измеренные 3,10 - 0,202 - - 6,4%;
угловой скорости барабана привода подъема – 3,4 %;
усилия в канате привода напора – 6,1 %;
усилия в канате привода подъема – 8,8 %.
Таким образом экспериментально была подтверждена адекватность математической модели механической подсистемы электроприводов напо ра и подъема карьерного экскаватора Для экспериментальных исследований алгоритма градиентного управления моментом асинхронного двигателя был разработан и изготов лен преобразователь частоты с оригинальной системой управления. Испы тания проводились в условиях ОАО «Электромашина» (г. Кемерово) и в научно-исследовательской лаборатории кафедры электропривода и авто матизации ГУ КузГТУ. Результаты испытаний представлены на рис. 25.
Как видно из приведенных графиков, использование разработанного преобразователя частоты с алгоритмом градиентного управления позволя ет электродвигателю достаточно точно отрабатывать сигнал задания, как по моменту, так и по потокосцеплению. Экспериментальная проверка под твердила возможность практического использования разработанного алго ритма градиентного управления электромагнитным моментом асинхронно го двигателя.
Экспериментальные исследования алгоритмов идентификации пара метров и координат асинхронного двига теля и двухмассовой механической систе мы были проведены на специально разра ботанном компьюте ризированном стенде.
Результаты идентифи кации параметров асинхронного двига теля 4AX90L4У3 при Рис. 26. Угловая скорость второй массы ведены в табл. 2, а ре двухмассовой системы зультаты идентификации угловой скорости второй массы двухмассовой системы – на рис. 26.
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили досто верность теоретически полученных в работе результатов.
Заключение. В диссертационной работе на основании выполненных автором исследований дано решение актуальной научной проблемы управления динамическим состоянием электроприводов горных машин, имеющее важное теоретическое и практическое значение и являющееся существенным вкладом в повышение эксплуатационной надежности и со вершенствование электромеханических систем горных машин.
Основные научные и практические результаты выполненной работы заключаются в следующем:
1. Разработана концепция построения электроприводов горных ма шин, позволяющих управлять динамическим состоянием их механических преобразователей.
2. Разработан алгоритм градиентного управления электромагнитным моментом асинхронного электродвигателя, который прошел успешные промышленные испытания в условиях ОАО "Электромашина" и принят к внедрению.
3. Установлено, что асинхронный электродвигатель, питаемый от ав тономного источника напряжения с регуляторами электромагнитного мо мента, является безынерционным источником момента по отношению к механическим преобразователям электроприводов горных машин.
4. Разработана математическая модель и сформулированы требова ния к конструкции электромеханической системы, позволяющей незави симо воздействовать на динамическое состояние элементов трансмиссии и металлоконструкций горных машин.
5. Установлены зависимости между текущим состоянием механиче ской подсистемы электропривода и электромагнитным моментом двигате ля, использование которых позволяет управлять упругими моментами и силами в механических передачах и металлоконструкциях горных машин.
6. Установлена зависимость между вероятностными характеристи ками нагрузки, действующей на исполнительный орган горной машины, и диапазоном изменения скорости движения исполнительного органа, необ ходимым для стабилизации нагрузок на элементы трансмиссии.
7. Разработаны регуляторы скорости, поддерживающие скорость движения исполнительного органа в требуемом диапазоне и обеспечива ющие совместно с регуляторами упругих моментов уменьшение колеба тельной составляющей усилий в элементах трансмиссий и металлокон струкций на 60 % и более, по отношению к амплитуде колебаний нагрузки на исполнительном органе.
8. Разработано наблюдающее устройство для динамической иденти фикации неизмеряемых параметров и переменных величин электроприво да, необходимых для функционирования системы управления, прошедшее успешное испытание в условиях ОАО НИИВЭМ, ОАО "Шахта Заречная" и в научно-исследовательской лаборатории кафедры электропривода и авто матизации ГУ КузГТУ.
9. Разработана математическая модель электроприводов подъема и напора одноковшовых экскаваторов с канатно-полиспастной системой вы движения рукояти, учитывающая их взаимосвязь и нелинейность парамет ров, адекватность которой подтверждена экспериментальными исследова ниями, проведенными в условиях разреза "Вахрушевский" ОАО УК "Куз бассразрезуголь" и ОАО "Междуречье".
10. Разработана система управления электроприводами напора и подъема одноковшового экскаватора, обеспечивающая снижение динами ческих нагрузок в элементах их трансмиссий, как в режимах нормальной работы, так и в режимах стопорения.
11. Разработана мобильная измерительная система, позволяющая из мерять динамическое состояние элементов электроприводов одноковшо вых экскаваторов, прошедшая успешные испытания в условиях разреза "Вахрушевский" ОАО УК "Кузбассразрезуголь" и ОАО "Междуречье".
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Основное содержание работы опубликовано в изданиях, рекомендо ванных ВАК для докторских диссертаций, в следующем составе:
1. Завьялов В. М. Градиентное управление частотно-регулируемым асинхронным электроприводом // Изв. вузов. Электромеханика. – 2008. – № 3. – С. 71-72.
2. Завьялов В. М. Новый подход к построению систем управления электроприводов карьерных экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика. – 2007. – № 8. – C. 10-13.
3. Снижение динамических нагрузок в электроприводах карьерных экскаваторов средствами частотно-регулируемого асинхронного электропривода / Завьялов В. М.;
Кузбас. гос. тех. ун-т. – Кемерово, 2007. – 29 с. – Библиогр.: 28 назв. – Рус. – Деп. в ВИНИТИ 13.11.2007, № 1063 В2007.
4. Завьялов В. М. Подавление упругих колебаний в горных машинах с двухмассовой расчетной схемой // Вестн. КузГТУ. – 2005. – № 6. – С. 67-69.
5. Завьялов В. М. Подавление упругих колебаний в горных машинах с упругой рамой // Вестник КузГТУ. – 2006. – № 1. – С. 65-66.
6. Завьялов В. М. Математическая модель механической части взаимосвязанных электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина // Известия Томского политехнического университета. – 2007. – Т. 310. – № 3. – C. 40-43.
7. Завьялов В. М. Многокритериальное управление асинхронным электроприводом / В. М. Завьялов, А. А. Неверов, И. Ю. Семыкина// Вестн.
КузГТУ. – 2005. – № 1. – С. 81-84.
8. Семыкина И. Ю. Применение нечеткой логики в задаче регулирования угловой скорости исполнительных органов горных машин / И. Ю. Семыкина, В. М. Завьялов // Вестн. КузГТУ. – 2006. – № 4. – С. 80-83.
9. Завьялов В. М. Энергооптимальное управление скоростью асинхронного электропривода / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина // Вестн.
КузГТУ. – 2005. – № 4-2. – С. 21-23.
10. Каширских В. Г. Автоматизированный испытательный комплекс для идентификации параметров асинхронных электродвигателей горных машин / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов // Горный информационно аналитический бюллетень. – 2004. – № 6. – С. 299-302.
11. Завьялов В. М. Оценка состояния многомассовых механических систем с применением цифровой фильтрации / В. М. Завьялов, А. В. Нестеровский, Д. О. Мефферт // Вестн. КузГТУ. – 2006. – № 5. – С. 79-81.
12. Завьялов В. М. Подавление упругих колебаний в трёхмассовой механической системе / В. М. Завьялов, И. А. Куприянов // Вестн. КузГТУ.
– 2006. – № 6. – С. 75-77.
13. Семыкина И. Ю. Повышение эффективности подавления упругих колебаний в элементах трансмиссии горных машин / И. Ю. Семыкина, В. М. Завьялов, И. А. Куприянов // Вестн. КузГТУ. – 2006. – № 4. – С. 83-85.
14. Оценка параметров и состояния асинхронного двигателя при динамической нагрузке / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов;
Кузбас. гос. тех.
ун-т. – Москва, 2002. – 11 с. – Библиогр.: 8 назв. – Рус. – Деп. в ВИНИТИ 26.12.2002, № 2265-В2002.
15. Каширских В. Г. Идентификация параметров асинхронного электродвигателя с помощью метода наименьших квадратов / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов, Д. В. Соколов // Вестн. КузГТУ. – 2002. – № 2. – С. 17-19.
16. Оценка параметров и состояния асинхронного двигателя при установившемся режиме работы / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов;
Кузбас. гос. тех. ун-т. – Москва, 2002. – 11с. – Библиогр.: 2 назв. – Рус. – Деп. в ВИНИТИ 26.12.2002, № 2266-В2002.
17. Завьялов В. М. Сравнительный анализ систем регулирования угловой скорости асинхронного электродвигателя / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина // Вестн. КузГТУ. – 2005. – № 6. – С. 61-66.
18. Каширских В. Г. Определение кривой намагничивания асинхронного электродвигателя по результатам испытания на холостом ходе / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов, Д. В. Соколов // Вестн. КузГТУ. – 2002. – № 2. – С. 14-16.
19. Каширских В. Г. Идентификация параметров обмотки статора и цепи намагничивания асинхронного двигателя с помощью расширенного фильтра Калмана / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов // Вестн. КузГТУ. – 2002. – № 3. – С. 17-21.
20. Каширских В. Г. Определение индуктивности ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов // Вестн. КузГТУ. – 2003. – № 1. – С. 20-21.
21. Каширских В. Г. Определение в реальном времени активного сопротивления и потокосцепления ротора асинхронного двигателя при его работе в установившемся режиме / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов // Вестн. КузГТУ. – 2003. – № 1. – С. 21-24.
22. Каширских В. Г. Анализ шумовых процессов в измерительной схеме асинхронного двигателя / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов, А. В. Нестеровский // Вестн. КузГТУ. – 2003. – № 2. – С. 12-14.
23. Каширских В. Г. Структура вычислительной части испытательного стенда для оценки параметров и состояния асинхронных электродвигателей / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов // Вестн. КузГТУ. – 2003. – № 3. – С. 63-65.
24. Завьялов В. М. Повышение эффективности электроприводов горных машин / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина // Электромеханические преобразователи энергии: материалы международной научно-технической конференции, 17-19 октября 2007. – Томск: ТПУ, 2007. – C. 293-295.
25. Завьялов В. М. Стабилизация упругого момента в двухмассовой механической системе / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина, И. А. Куприянов // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях: Труды третьей Всероссийской научно-практической конференции, 16-18 мая 2006. – Новокузнецк: СибГИУ, 2006. – С. 98-101.
26. Завьялов В. М. Использование метода скоростного градиента в задаче синтеза систем управления асинхронными электроприводами / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы Международной науч.-техн. конф. – Томск: ТПУ, 2005. – С. 233-236.
27. Завьялов В. М. Использование безынерционного источника момента в системах управления электроприводов со сложными механическими подсистемами / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина // Электротехника, электромеханика и электротехнологии ЭЭЭ-2007:
материалы третьей научно-технической конференции с международным участием, 25-26 октября 2007. – Новосибирск: НГТУ, 2007. – C. 69-72.
28. Завьялов В. М. Безынерционный источник момента на базе асинхронного электропривода / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях: Труды третьей Всероссийской научно-практической конференции, 16-18 мая 2006. – Новокузнецк: СибГИУ, 2006. – С. 121-124.
29. Завьялов В. М. Влияние переменной составляющей нагрузки привода вращения бурового станка СБШ-270-И3 на ресурс элементов его трансмиссии / В. М. Завьялов, А. Н. Шариков, И. Ю. Семыкина // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях: Труды третьей Всероссийской научно-практической конференции, 16-18 мая 2006. – Новокузнецк: СибГИУ, 2006. – С. 118-121.
30. Завьялов В. М. Анализ отказов карьерных экскаваторов / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2006: Материалы XI Международной научно практической конференции, 23-24 нояб. 2006. – Кемерово: КузГТУ, 2006. – C. 179-180.
31. Завьялов В. М. Моделирование механической части электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-20: сб. трудов ХХ Междунар. науч. конф. – Ярославль: ЯГТУ, 2007. – Т. 4. – С. 173-177.
32. Завьялов В. М. Оценка состояния электроприводов экскаваторов / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина // Электромеханические преобразователи энергии: материалы международной научно-технической конференции, 17 19 октября 2007. – Томск: ТПУ, 2007. – C. 296-298.
33. Каширских В. Г. Идентификация параметров асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов, Д. В. Соколов // Проблемы развития автоматизированного электропривода: Труды Всероссийской научно-практической конференции. – Новокузнецк: СибГИУ, 2002. – С. 81-82.
34. Каширских В. Г. Определение кривой намагничивания асинхронного электродвигателя / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов, Д. В. Соколов // Проблемы развития автоматизированного электропривода:
Труды Всероссийской научно-практической конференции. – Новокузнецк:
СибГИУ, 2002. – С. 85-87.
35. Завьялов В. М. Определение частоты вращения ротора асинхронного двигателя с помощью цифровой фильтрации / В. М.
Завьялов, А. В. Нестеровский, Д. О. Мефферт // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно топливной отраслях: Труды третьей Всероссийской научно-практической конференции, 16-18 мая 2006. – Новокузнецк: СибГИУ, 2006. – С. 95-98.
36. Каширских В. Г. Идентификация параметров и состояния асинхронных электродвигателей в установившемся режиме работы / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-17: Сб. трудов 17 Международ. науч. конф. – Кострома: КГТУ, 2004. – Т. 5. – С. 170-172.
37. Каширских В. Г. Идентификация параметров и состояния асинхронного электродвигателя в реальном времени / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-17: Сб. трудов 17 Международ. науч. конф. – Кострома: КГТУ, 2004. – Т. 5. – С. 175 – 177.
38. Завьялов В. М. Повышение надежности горных машин при помощи регулируемого электропривода // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2006: Материалы XI Международной научно практической конференции, 23-24 нояб. 2006. – Кемерово: КузГТУ, 2006. – C. 181-182.
39. Каширских В. Г. Оценка активных сопротивлений и потокосцепления ротора асинхронных двигателей в реальном времени / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов // Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы: Материалы международной научно-технической конференции, 3-5 сентября 2003. – Томск: ТПУ, 2003. – С. 30-33.
40. Каширских В. Г. Идентификация асинхронных электродвигателей / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве: Труды Всероссийской научно-практической конференции, 8-10 декабря 2003. – Новокузнецк: СибГИУ, 2003. – С. 289-292.
41. Каширских В. Г. Функциональный контроль состояния асинхронных электродвигателей горных машин / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов, А. В. Нестеровский, С. С. Переверзев // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004: Материалы X Международной научно-практической конференции, 23-24 нояб. 2004. – Кемерово: КузГТУ, 2004. – С. 150-152.
42. Завьялов В. М. Снижение вибраций горных машин средствами регулируемого электропривода // Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса: Труды I Всероссийской научно-технической конференции, 24-25 октября 2007. – Кемерово:
КузГТУ, 2007. – C. 331-335.
43. Завьялов В. М. Новый способ снижения вибраций буровых станков / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина, И. А. Куприянов // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах: материалы VII международной научно-практической конференции, 15-16 нояб. 2007. – Кемерово: КузГТУ, 2007. – Т. 1. – C.
114-116.
44. Каширских В. Г. Универсальный компьютеризированный испытательный стенд / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов, А. В.
Нестеровский, С. С. Переверзев // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях: Труды Второй Всероссийской научно-практической конференции. – Новокузнецк: СибГИУ, 2004. – С. 90 – 93.
45. Каширских В. Г. Анализ шумов измерительной схемы при динамической идентификации асинхронного двигателя / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов, А. В. Нестеровский, С. С. Переверзев // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях: Труды Второй Всероссийской научно-практической конференции. – Новокузнецк:
СибГИУ, 2004. – С. 93 – 97.
46. Завьялов В. М. Наблюдающее устройство механической части электропривода // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-20: сб. трудов ХХ Междунар. науч. конф. – Ярославль: ЯГТУ, 2007. – Т. 4. – С. 208-210.
47. Завьялов В. М. Идентификация механической подсистемы электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина // Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса: Труды I Всероссийской научно-технической конференции, 24-25 октября 2007. – Кемерово:
КузГТУ, 2007. – C. 335-339.
48. Каширских В. Г. Компьютеризированный испытательный комплекс для динамической идентификации взрывозащищенных асинхронных электродвигателей / В. Г. Каширских, В. М. Завьялов, А. В. Нестеровский, С. С. Переверзев // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды международной научно-практической конференции. – Кемерово: КузГТУ, 2004. – С. 145-146.
49. Способ управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя: пат. 2306666 Рос. Федерация: МПК7 Н02Р 21/12, Н02Р 27/06 / В. М. Завьялов, И. Ю. Семыкина, А. В. Стародуб;
патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет". – № 2005140130/09;
заявл. 21.12.05;
опубл.
20.09.07, бюл. №26.
50. Zavyalov Valeriy M., Semykina Irina Yu. Raising efficiency of mining machines by improvement of electric drives // Advances in geotechnical and structural engineering: proceedings of fifth China-Russia symposium on underground and building engineering of city and mine, 26-28 September 2008.
– Qingdao, China: China Universiti of Mining and Technology Press. – P. 445-448.
Подписано в печать Формат 6084/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.
Объем 2,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ.
ГУ Кузбасский государственный технический университет.
650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография ГУ Кузбасский государственный технический университет.
650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4А.