Снижение динамических нагрузок в электроприводах карьерных экскаваторов

На правах рукописи

Семыкина Ирина Юрьевна СНИЖЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово – 2007 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Завьялов Валерий Михайлович Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор Пугачев Емельян Васильевич кандидат технических наук Соколов Игорь Александрович

Ведущая организация: филиал «Вахрушевский угольный разрез» ОАО «Угольная Компания «Кузбассразрезуголь»

Защита состоится 23 мая 2007 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» по адресу:

650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Факс: (3842) 36-16-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образова тельного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет».

Автореферат разослан 20 апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.Г. Каширских

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Открытый способ добычи угля обладает более высокой по сравнению с подземным способом производительностью и более низкой себестоимостью. Доля добычи угля открытым способом в Кузбассе со ставляет около 53 %. Одним из наиболее значимых элементов в комплексе от крытой добычи угля являются карьерные экскаваторы, в связи с чем задача по вышения эффективности их работы является актуальной.

Карьерные экскаваторы работают в условиях высоких динамических нагрузок, вызванных различными факторами, такими как резкопеременный ха рактер нагрузки на режущей кромке ковша, действия машиниста, наличие в ме ханической подсистеме упругих элементов и т.д. В процессе работы суммарное действие данных факторов вызывает механические напряжения в элементах механической подсистемы карьерного экскаватора, существенно превышающие их средние значения.

Эффективным способом снижения динамических нагрузок является ис пользование возможностей систем управления электроприводов экскаватора, обеспечивающих требуемый уровень и характер изменения механических напряжений в элементах трансмиссии.

Электроприводы серийно выпускаемых в России карьерных экскаваторов построены на базе двигателей постоянного тока с системой подчиненного регу лирования, где основными регулируемыми переменными являются угловая скорость двигателя и ток в цепи якоря. Такие системы управления в рабочем диапазоне нагрузок поддерживают угловую скорость вала двигателя на задан ном уровне, а в случае перегрузок ток цепи якоря ограничивается допустимым стопорным значением. Однако в этом случае ограничивается только величина электромагнитного момента двигателя, в то время как механические напряже ния в элементах трансмиссии, в связи с наличием упругих звеньев, могут суще ственно превышать значения, соответствующие номинальному режиму работы.

Вопросами создания автоматизированных систем управления электро приводов экскаваторов, оптимизации экскаваторного электропривода и ограни чения динамических нагрузок занимались В.И. Ключев, Ю.А Вуль, В.И. Яко влев, В.П. Ломакин, Д.А. Каминская, В.Я. Ткаченко, П.Д. Гаврилов, Е.К. Ещин, С.Г. Филимонов, М. Б. Носырев, С. Н. Скобцов, Г.Я. Пятибратов и многие дру гие ученые.

Вопросам формирования нагрузок в звеньях карьерного экскаватора по священы работы Д.П. Волкова, Б.В. Ольховикова, А.Б. Розенцвайг, Н.А. Копы сова, Н.Г. Домбровского, Р.Ю. Подэрни и др.

Несмотря на большой объем проведенных работ в области снижения ди намических нагрузок в механической подсистеме электроприводов карьерных экскаваторов, данный вопрос до конца не исследован, поэтому актуальной за дачей является разработка системы управления электроприводов экскаватора, позволяющих управлять динамическим состоянием его трансмиссии.

Цель работы – снижение динамической нагруженности элементов трансмиссии электроприводов подъема и напора карьерных экскаваторов.

Идея работы заключается в использовании возможностей регулируемого асинхронного электропривода для управления состоянием механической под системы приводов напора и подъема карьерного экскаватора, обеспечивающего снижение динамических нагрузок.

Задачи работы:

– разработка математической модели электроприводов подъема и напора карьерного экскаватора, учитывающей изменение их параметров в процессе копания;

– разработка компьютерной модели электроприводов подъема и напора карьерного экскаватора;

– разработка системы управления электроприводов подъема и напора ка рьерного экскаватора, обеспечивающей снижение динамических нагрузок;

– исследование влияния разработанной системы управления на динами ческие процессы, протекающие в электроприводах карьерного экскаватора.

Методы исследований. Научные и практические результаты диссерта ционной работы получены с использованием:

– теории обобщенной электрической машины для анализа динамических процессов, протекающих в асинхронных двигателях;

– методов разработки математических моделей механических систем с использованием уравнения Лагранжа;

– методов синтеза регуляторов, основанных на алгоритме скоростного градиента и на синергетической теории управления;

– компьютерного моделирования с использованием численного решения систем дифференциальных уравнений.

Основные научные положения.

1. Асинхронный двигатель с регулятором электромагнитного момента, синтезированным на основе метода скоростного градиента, является безынер ционным источником момента для электроприводов карьерного экскаватора.

2. Снижение динамических нагрузок в электроприводах карьерного экс каватора достигается путем регулирования упругих сил с использованием безынерционного источника момента.

3. Угловые скорости электродвигателей, положение и скорость ковша, упругие силы в трансмиссиях приводов напора и подъема для используемой расчетной схемы определяются в реальном времени на основе информации, со держащейся в значениях электромагнитных моментов и угловых положений валов электродвигателей.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель взаимосвязанных электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора.

2. Исследованы динамические свойства асинхронного двигателя с регуля торами электромагнитного момента, позволяющие рассматривать их совокуп ность как безынерционный источник момента.

3. Разработаны регуляторы упругих сил и регуляторы скорости для элек троприводов напора и подъема карьерного экскаватора, обеспечивающие огра ничение динамических нагрузок в его трансмиссии.

4. Разработан алгоритм идентификации состояния электроприводов напо ра и подъема карьерного экскаватора.

Практическая ценность работы состоит в том, что её результаты могут быть использованы:

- при построении систем управления электроприводов карьерных экска ваторов;

- для оценки статических и динамических нагрузок в элементах транс миссии экскаватора на стадии проектирования;

- для мониторинга состояния электроприводов экскаватора в процессе его работы.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена результа тами вычислительных экспериментов, правомерностью принятых исходных положений и допущений, сопоставлением результатов компьютерного модели рования с экспериментальными данными.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы до кладывались и получили одобрение на Международной научно-технической конференции «Электротехнические преобразователи энергии», Томск, 2005 г., Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2006 г., Меж дународной научно-практической конференции «Природные и интеллектуаль ные ресурсы Сибири», Кемерово, 2006 г., Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электро ника в металлургической и горно-топливной отраслях», Новокузнецк, 2006 г. и на научных конференциях Кузбасского государственного технического универ ситета (г. Кемерово, 2005-2006 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ и получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, приложений и содержит 125 страниц текста, 51 рисунок, 11 таблиц и список литературы из 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, определены научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первой главе на основании статистических данных отказов карьерных экскаваторов показано, что большая часть их аварийных простоев вызвана вы ходом из строя механических элементов, среди которых существенную часть занимают отказы элементов приводов напора и подъема. Основными причина ми выхода из стоя механических элементов являются динамические нагрузки, вызванные взаимодействием ковша с забоем, ускоренным движением ковша, изменением масс и моментов инерции, а также динамическими процессами, протекающими в трансмиссии и обусловленными наличием упругих элементов, например, таких как канат. Существенное влияние на величину динамических нагрузок оказывают также действия машиниста экскаватора. Механические напряжения в электроприводах экскаваторов, вызванные этими причинами, в 3 3,5 раза превышают свои средние значения.

Снижение динамических нагрузок в элементах экскаватора может осу ществляться посредством регулируемого электропривода. Для серийно выпус каемых в России карьерных экскаваторов применяются электроприводы с уни фицированной структурой, построенной на базе системы генератор - двигатель (Г-Д) или тиристорный преобразователь - двигатель (ТП-Д) с системой подчи ненного регулирования (СПР), дополненной корректирующими обратными связями.

Такая система управления электропривода разработана для одномассовой расчетной схемы механической части, в результате чего переходные процессы в реальной механической подсистеме электроприводов экскаваторов носят коле бательный характер.

Основными путями снижения динамических нагрузок в электроприводах являются: пассивное демпфирование колебаний, активное ограничение дина мических нагрузок и регулирование усилий в исполнительных органах машин.

При пассивном демпфировании колебаний демпфирующие возможности регулируемого электропривода оптимизируют путем реализации рациональных параметров его системы управления, чем обеспечивают наилучшие условия для безвозвратных потерь энергии механических упругих колебаний в электриче ских цепях электромеханической системы.

Способы активного демпфирования упругих колебаний позволяют уменьшить амплитуду напряжений в упругих элементах передач электроприво да за счет соответствующего изменения тока (момента) двигателя при резком изменении нагрузки.

Существует достаточно большое количество работ, посвященных сниже нию динамических нагрузок как в электроприводах экскаваторов, так и других машин с упругими связями, но, несмотря на это, данный вопрос до конца не ис следован.

Рис. 1. Расчетная схема электроприводов подъема и напора Рис. 2. Схематическое изображение карьерного экскаватора конструкции приводов экскаватора В завершении первой главы сформулированы основные задачи, решаемые в диссертационной работе.

Вторая глава посвящена разработке математической модели электро приводов напора и подъема карьерного экскаватора, учитывающей их связь по средством ковша.

Поскольку разрабатываемая система электроприводов ориентируется на использование асинхронных электродвигателей (АД), в работе использовалась математическая модель АД, полученная из уравнений обобщенной электриче ской машины:

R d L2 1 -Lm 2 ;

=u1 L1 L2 -L dt m L2 1 -Lm 2 ;

d 1 R =u1 L1 L2 -L dt m R d L1 2 -Lm 1 -p 2 ;

=- (1) L1 L2 -L dt m L1 2 -Lm 1 +p 2 ;

d 2 R = L1 L2 -L dt m Lp M= m 2 ( 1 2 - 1 2 ), L1 L2 -Lm где u1, u1 – составляющие по осям неподвижной системы координат (, ) век тора подводимого к статору напряжения;

1, 1, 2, 2 – составляющие век торов потокосцеплений статора и ротора соответственно;

R1, R2 – активные со противления статора и ротора соответственно;

L1, L2 – индуктивности обмоток статора и ротора соответственно;

Lm – взаимная индуктивность обмоток статора и ротора;

– угловая скорость вала двигателя;

р – число пар полюсов.

При разработке математической модели механической части электропри водов подъема и напора использовалась расчетная схема, показанная на рис. 1, где Jн – суммарный приведенный момент инерции первой массы электроприво да напора, включающий момент инерции ротора двигателя, муфты предельного момента, тормозного шкива, зубчатой передачи и напорного барабана;

сн – при веденная жесткость канатов напорного механизма;

Jп – суммарный приведен ный момент инерции первой массы электропривода подъема, включающий мо мент инерции ротора двигателя, муфты предельного момента, тормозного шки ва, зубчатой передачи и барабана подъемной лебедки;

сп – суммарная приве денная 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 подъема, приведенный к скорости подъемного барабана;

н, п – угловые скорости первых масс приводов напора и подъема соответствен но;

Fсн, Мсп – сила и момент сопротивления приводов напора и подъема соот ветственно;

vк – линейная скорость ковша;

к – угловая скорость ковша и руко яти.

Для этой расчетной схемы было решено уравнение Лагранжа второго ро да. Входящие в его состав параметры определялись на основе конструктивной схемы, показанной на рис. 2, где – угол наклона стрелы относительно гори зонта;

– угол наклона подъемного каната относительно рукояти;

rн – радиус напорного барабана;

rп – радиус подъемного барабана;

lр – полная длина рукоя ти;

dст – длина участка стрелы от седлового подшипника до головного блока;

Gкп – вес ковша с породой;

Gр – вес рукояти;

Р01 – тангенциальная сила сопро тивления породы копанию;

Р02 – нормальная сила сопротивления породы копа нию;

н, п – угловое положение напорного барабана и подъемного барабана соответственно;

sк – величина выбега рукояти;

к – угловое положение рукояти.

Результатом решения уравнения Лагранжа стала система уравнений:

dн М н -rн F12н dп М п -rп F12п = ;

= ;

dt Jн dt Jп F12н m р к sк -l р /2 +(mк +mп )к sк -Fcн -F12пcos-vк dmп 2 dvк dt ;

= m р +mк mп dt (2) F12п sк sin-M сп -2m р к vк sк -l р /2 -2(mк +mп )к vк sк - s dmп кк dк dt ;

= m р sк -l р /2 +m рl p /2+(mк +mп )sк dt 2 d н d п d к ds =н ;

=п ;

=к ;

к =vк, dt dt dt dt где F12н, F12п – упругие силы в напорном и подъемном канатах соответственно.

При использовании этой модели учитывалось, что масса породы в про цессе черпания увеличивается, а также изменяется жесткость подъемного кана та. Математическое описание нагрузки электроприводов напора и подъема со держит случайную и детерминированную составляющие. При этом силы со противления породы копанию Р01, Р02 носят случайный характер, вес ковша с породой Gкп носит детерминированный характер, но в процессе черпания уве личивается, а вес рукояти Gp неизменен.

Адекватность математической модели механической подсистемы элек троприводов напора и подъема карьерного экскаватора оценивалась на основа нии сопоставления результатов компьютерного моделирования механической части с экспериментально полученными осциллограммами для типовых систем электроприводов экскаваторов и СПР. Соответствующие графики приведены на рис. 3 и рис. 4.

В третьей главе описывается синтез системы управления электроприво дов напора и подъема карьерного экскаватора. Структурная схема этой системы представлена на рис. 5, где РСп, РСн – регуляторы скорости привода подъема и напора соответственно;

БИМп, БИМн – безынерционные источники момента;

РУСп, РУСн – регуляторы упругих сил;

РЭМп, РЭМн – регуляторы электромаг нитного момента;

ЭЧПп, ЭЧПн – электрические части приводов, включающие приводной двигатель и управляемый электрический преобразователь;

МЧП – механическая часть приводов;

НУ – наблюдающее устройство;

к* – заданное значение угловой скоро сти ковша и рукояти;

vк* – заданное значение линейной скорости ковша;

F12п*, F12н*– заданные значения упругих сил привода подъема и напора соответственно;

Мп*, Мн* – Рис. 3. Электромагнитный момент заданные значения электромагнит двигателя подъема (эксперимент) ных моментов двигателя;

U n, U н – * * заданные значения векторов напряжения, подводимого к стато рам электродвигателей;

упэ, унэ – векторы измеряемых переменных электрических частей приводов подъема и напора соответственно;

унм – вектор измеряемых перемен ных механической части приводов.

Рис. 4. Электромагнитный момент Взаимосвязанные электро двигателя подъема (модель) приводы подъема и напора карьер ного экскаватора являются слож ным нелинейным объектом. В то же время, система управления этими электро приводами должна регулировать несколько переменных и одновременно удо влетворять многим критериям. Для упрощения процедуры синтеза объект управления был разделен на части, для каждой из которых значительно проще синтезировать закон управления, чем для полной модели электроприводов. Си стема управления электроприводов напора и подъема включает в себя безынер ционный источник момента, регуляторы упругих сил и регуляторы скорости.

Понятие безынерционного источника момента было введено для разделе ния математического описания электрической и механической подсистем. Под ним понимается электродвигатель, управляемый регулятором электромагнит ного момента, обеспе чивающий в диапа зоне частот нагрузки, а также собственных частот механической подсистемы, постоян ный коэффициент пе редачи по моменту и нулевой фазовый сдвиг. Для карьерного экскаватора требуе Рис. 5. Структурная схема электроприводов подъема мый диапазон частот составляет 0-25 Гц.

и напора карьерного экскаватора Для синтеза регулятора безынерционного источника момента использует ся управление электромагнитным моментом асинхронного двигателя, получен ное на основе метода скоростного градиента для математической модели (1) и целей управления:

1,5p k2 L1 ( 1 2 - 1 2 )-M * 0;

1 + 1 - 12* 0, 2 где М* – заданное значение электромагнитного момента;

12* – заданное значе ние квадрата амплитуды потокосцепления статора.

На выходе этого регулятора формируется задание напряжения статора в неподвижной системе координат (, ):

u1 =-1 -h11(1,5p k2 L1( 1 2 - 1 2 )-M * ) 2 + * +h22 ( 1 + 1 - 12* ) 1 dt;

2 u1 =-2 h11(1,5p k2 L1( 1 2 - 1 2 )-M * ) 2 + * +h22 ( 1 + 1 - 12* ) 1 dt, 2 где u1*, u1* – составляющие вектора заданного напряжения статора в непо движной системе координат (, );

– коэффициент усиления;

h11, h22 – весовые коэффициенты;

L1=L1+k2 L2 – общая индуктивность рассеяния со стороны ста тора;

k2=Lm /(Lm+L2 ) – коэффициент связи ротора.

При активном ограничении динамических нагрузок необходимо форми ровать электромагнитный момент асинхронного двигателя таким образом, что бы он препятствовал возникновению упругих колебаний. В связи с этим в си стеме управления используются регуляторы упругих сил, которые формируют задание для регулятора электромагнитного момента, требуемое для активного ограничения динамических нагрузок. Регуляторы упругих сил были синтезиро ваны с помощью синергетической теории управления. В соответствии с этой теорией путем последовательного введения внутренних управляющих пере менных были получены законы управления, обеспечивающие регулирование упругих сил приводов напора и подъема с ограничением на величину выходно го сигнала регулятора. Управляющее воздействие регулятора упругих сил при вода напора имеет вид:

1+(bн xн )2 dM н 1 M Aн arctg(bн xн )+ н ;

uн = T3н T3н 2 dt bн Ан J dv Jн 1 Jн F12н - + (rн н -vк )+ M н = н к + rн rн dt T1нT2н сн rн rн T1н T2н J н d 2 F12н 1 1 dF12н * * F12н, * + + + + сн rн dt 2 T1н T2н dt T1нT2н а управляющее воздействие привода подъема соответственно:

1+(bn xn )2 dM n 1 M Aп arctg(bn xn )+ n, 2 dt un = T3n T3n bn Ап J n d 2 LAB 1 1 dL Jn M n=- + + AB + rn - F12n rn dt 2 T1n T2n dt T1nT2nсn rn 1 J d 2 F12n 1 1 1 dF * * -J nn + + n + + 12n + F12n, * T1н T2н сn rn dt T1n T2n dt T1nT2n где Т1н, Т2н, Т3н, Т1п, Т2п, Т3п – постоянные времени, определяющие скорость про текания переходных процессов по управлению;

uн, xн, uп, xп – переменные рас ширенной математической модели, введенные для реализации ограничений вы ходных сигналов регуляторов;

Ан, bн, Ап, bп – параметры нелинейных звеньев ограничения;

F*12н(t), F*12п(t) – заданные значения упругих сил привода напора и привода подъема соответственно.

Управляющие сигналы для регуляторов упругих сил формируется регу ляторами скорости. Однако, поскольку на механическую подсистему каждого из приводов действует только одно управляющее воздействие, а именно элек тромагнитный момент двигателя, одновременное регулирование и скорости и упругой силы с движением по однозначно заданной траектории невозможно.

Учитывая несущественность влияния малых отклонений угловой и линейной скоростей ковша от заданных значений на среднюю интегральную производи тельность экскаватора, были сформированы механические характеристики этих приводов в виде зависимостей скорости ковша от упругих сил электроприво дов. Эти характеристики имеют зоны неоднозначности к1 и vк1 для привода подъема и напора соответственно, определяющие допустимые отклонения ско рости от заданного значения. Механическая характеристика для привода подъ ема приведена на рис. 6.

Регуляторы скорости были синтезированы исходя из следующих требо ваний:

- угловая и линейная скорости ковша должны поддерживаться в пределах заданных диапазонов, а в случае выхода за их пределы – стремиться к заданным значениям с максимально допустимым ускорением;

- при нахождении скорости внутри границ заданного диапазона выходной сигнал регулятора должен иметь пере менную составляющую, определяемую изменением среднего значения нагруз ки;

- выходной сигнал регулятора не должен превышать максимально допу стимого значения.

Рис. 6. Механическая характеристика На основании этих требований, привода подъема были сформированы управляющие воз действия регуляторов:

ср к ;

* * F12п= M пдин +M сп ср F12н=Fн*дин +Fсн, * где Mп*дин – требуемый динамический момент привода подъема;

Mспср – среднее значение суммарного момента сопротивления привода подъема;

к – плечо упругой силы привода подъема;

Fн*дин – требуемая динамическая сила привода напора;

Fснср – среднее значение суммарного момента сопротивления привода напора.

Требуемый динамический момент зависит от угловой скорости ковша к, а требуемая динамическая сила, соответственно, от скорости vк. В случае боль ших отклонений скорости от заданного значения динамический момент (сила) формируется на максимально допустимом уровне Мпmaxдин (Fнmaxдин) для обеспе чения максимального быстродействия. Для исключения в системе автоколеба тельного режима, по мере приближения скорости к границе к1 (vк1), необхо димо уменьшать ускорение, для чего в регуляторы добавлены внешние границы к2 и vк2. Таким образом, были получены зависимости:

M п sign(* -к ), при * -к к2 ;

max к к дин max *к -к -к1sign(*к -к ), при к1 *к -к к2 ;

M пдин * M пдин = ( к2 -к1 ) 0, при * - ;

к к к Fнmax sign(v* -vк ), при v* -vк vк2 ;

к к дин Fнmax v*к -vк -vк1sign(v*к -vк ), при vк1 v*к -vк vк2 ;

* Fндин = дин ( vк2 -vк1 ) 0, при v* -v v, к к к где к – заданное значение угловой скорости ковша;

vк* – заданное значение * линейной скорости ковша.

Для работы вышеперечисленных регуляторов требуется знание перемен ных состояния взаимосвязанных электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора. Учитывая, что измерение большинства требуемых переменных за труднительно, в системе управления используется наблюдающее устройство. В этом устройстве идентификация переменных электроприводов производится по алгоритму, показанному на рис. 7.

При идентификации состояния асинхронных двигателей использовался известный метод оценки потокосцеплений статора и ротора, который основы вается на математической модели АД (1) и уравнениях связи между токами и потокосцеплениями двигателя. В этом методе для избежания накопления ошибки, интегрирующее звено заменяется одноемкостным с постоянной вре мени. Исходными данными для идентификации являются составляющие в не подвижной системе координат (,) вектора подводимого к статору напряжения и вектора тока статора i1 и i1.

При идентификации механической части, исходными данными являются угловые положения первых масс приводов п и н. Оцениваемыми переменны ми являются упругие силы приводов подъема и напора F12п и F12н, линейная скорость ковша vк, угловая скорость ковша к, длина каната на участке от подъ емного барабана до места крепления ковша LАВ, а также суммарные нагрузки на привод напора и на Исходные данные Исходные данные привод подъема. привода подъема привода напора Оценка этих пе- п, u1, u1, i1, i н, u1, u1, i1, i ременных произво дилась на основании математической мо- d 1 d + 1 =(u1 -R1 i1 ) + 1 =(u1 -R1 i1 ) дели (2). dt dt В представ ленном алгоритме L L L L L L необходимо выпол- 2 = 2 1 - 1 2 i 2 = 2 1 - 1 2 i Lm Lm Lm Lm нять численное дифференцирование сигналов, содержа- Lm p Lp ( 1 2 - 1 2 ) щих шумы измере- M н = m 2 ( 1 2 - 1 2 ) M п = L1 L2 -Lm L1 L2 -Lm ния, что может при вести к существен ным ошибкам = M -J d н / r d п 2 F12п = M п -J п F12н н н управления. Для / rп н dt dt предотвращения этого, при иденти фикации использо- F L F F к =rн н +s0 - 12н LAB = L0 -rnn + 12n BC / 1- 12n вались цифровые s EF EF сн фильтры - диффе ренциаторы с ко нечной импульсной s 2 +d 2 -L ds vк к к =-arccos к ст AB характеристикой, 2sк d ст dt имеющие в области низких частот наклон логарифми- d dv к к Fcн =F12н -mн к ческой амплитудно- dt dt частотной характе ристики равный + дБ/дек и фазовый dк M сп =F12п к -J п сдвиг равный +/2, Конец dt а в области высоких частот близкий к Рис. 7. Алгоритм идентификации нулю коэффициент переменных электроприводов передачи.

Моделирование процесса оценивания переменных электроприводов пока зало, что ошибка оценивания для всех переменных не превышает 8 %, что явля ется приемлемым для нормальной работы регуляторов.

В четвертой главе проведено исследование динамических процессов, протекающих в электроприводах напора и подъема карьерного экскаватора при использовании разработанной системы управления. Это исследование проводи лось методом компьютерного моделирования с помощью программного сред ства, написанного в среде Delphi 7.

Для проверки регулятора электромагнитного момента, синтезированного на основе метода скоростного градиента, на соответствие требованиям безы нерционного источника момента были получены его амплитудно- и фазово частотные характеристики при различных амплитудах заданного момента дви гателя. Эти характеристики для двигателя 4А315М4У3 приведены на рис. 8 и рис. 9. При анализе этих рисунков было выявлено, что в диапазоне частот до 200 Гц электропривод с регулятором момента, синтезированным на основе ме тода скоростного градиента, имеет близкий к единице уровень амплитудно частотной характеристики и практически нулевой фазовый сдвиг, что соответ ствует требованиям безынерционного источника момента.

Исследование динамических процессов, протекающих в электроприводах напора и подъема при использовании разработанной системы управления, про водилось с помощью компьютерного моделирования для карьерного экскавато ра ЭКГ-8И. За начальное положение при моделировании было принято состоя ние, когда рукоять ковша расположена вертикально, ковш стоит на земле. Мо делирование проводилось для двух режимов: режима черпания грунта при наличии резкопеременной составляющей нагрузки и увеличивающейся массе породы, и режима удержания груженого ковша с постоянной массой породы.

Результаты моделирования представлены на рис. 10 - рис. 13.

(f,M) 350 А(f,M) 15 1500 10 5 45 f, Гц 0 100 f, Гц М, Нм М, Нм Рис. 8. Семейство амплитудно- Рис. 9. Семейство фазово-частотных частотных характеристик характеристик безынерционного безынерционного источника источника момента момента Рис. 10. Заданная и действительная Рис. 11. Заданная и действительная угловая скорость ковша линейная скорость ковша Анализ полученных результатов показал, что переходные процессы уг ловой скорости ковша носят апериодический характер, а для линейной скоро сти ковша свойственно перерегулирование как в переходных процессах по управлению, так и в переходных процессах по возмущению. Однако наличие перерегулирования не снижает статической точности регулирования скорости.

Таким образом, разработанные регуляторы скорости обеспечивают статиче Рис. 13. Упругая сила привода Рис. 12. Упругая сила привода напора подъема Рис. 14. Упругая сила привода напора Рис. 15. Упругая сила привода при использовании СПР подъема при использовании СПР скую точность регулирования, достаточную для поддержания требуемой сред ней интегральной производительности.

Сравнение временных зависимостей упругих сил привода напора и при вода подъема при работе в режимах черпания и удержания ковша с аналогич ными зависимостями для СПР, приведенными на рис. 14 и рис. 15, показывает, что среднее значение упругих сил в обоих случаях практически одинаково, в то время как колебательность упругих сил привода напора и привода подъема, при использовании разработанной системы управления, существенно ниже, чем при использовании СПР.

Количественная оценка влияния разработанной системы управления на снижение динамических нагрузок карьерного экскаватора производилась рас четно-теоретическим методом. По результатам ряда компьютерных экспери ментов были получены зависимости, аналогичные показанным на рис. 12 – рис. 15. Из них было установлено, что основная частота колебаний упругих сил в канатах при использовании СПР в среднем в два раза выше, чем при исполь зовании разработанной системы управления, а амплитуда этих колебаний выше в 2,3 раза. Таким образом, анализ динамических процессов, протекающих в электроприводах напора и подъема карьерного экскаватора при использовании разработанной системы управления, подтвердил ее эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе решена задача управления упругими силами в механической подсистеме приводов напора и подъема карьерного экскаватора, обеспечивающая снижение в них динамических нагрузок и имеющая суще ственное значение для повышения эффективности работы экскаватора.

Основные результаты выполненного исследования заключаются в следу ющем:

1. Разработана математическая модель электроприводов напора и подъ ема карьерного экскаватора, учитывающая их взаимную связь, а также измене ние параметров в процессе копания.

2. Проведено исследование частотных характеристик асинхронного элек тродвигателя с регулятором электромагнитного момента, на основании которо го сделан вывод, что регулятор момента, синтезированный с помощью метода скоростного градиента удовлетворяет требованиям безынерционного источника момента для электроприводов карьерного экскаватора.

3. Разработан способ управления упругими силами приводов напора и подъема карьерного экскаватора с использованием методов синергетической теории управления, обеспечивающий высокое быстродействие и точность регу лирования.

5. Разработан регулятор скорости, обеспечивающий качество регулирова ния, достаточное для поддержания требуемой средней интегральной произво дительности карьерного экскаватора.

6. Разработано наблюдающее устройство для электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора с использованием фильтров - дифференциато ров с конечной импульсной характеристикой.

7. Результаты исследования показали, что разработанная система не усту пает по быстродействию существующим системам подчиненного регулирова ния и в то же время снижает в 2-2,5 раза динамические нагрузки в элементах механической подсистемы электроприводов напора и подъема карьерного экс каватора.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Завьялов В.М. Многокритериальное управление асинхронным электро приводом [текст] / В.М. Завьялов, А.А. Неверов, И.Ю. Семыкина // Вестн.

КузГТУ, 2005. - №1 – С. 81-84.

2. Семыкина И.Ю. Повышение эффективности подавления упругих коле баний в элементах трансмиссии горных машин [текст] / И.Ю. Семыкина, В.М. Завьялов, И.А. Куприянов // Вестн. КузГТУ, 2006. №4. С. 83-85.

3. Семыкина И.Ю. Многокритериальное управление асинхронным элек тродвигателем [текст] / И.Ю. Семыкина, В.М. Завьялов // Сборник лучших до кладов студентов и аспирантов КузГТУ. Доклады юбилейной 50-й научно практической конференции, 2005. – С. 93-95.

4. Семыкина И.Ю. Исследование динамических свойств регуляторов мо мента асинхронного двигателя [текст] / И.Ю. Семыкина, В.М. Завьялов // Сбор ник лучших докладов студентов и аспирантов КузГТУ. Доклады 51-й научно практической конференции, 2006. – С. 116-117.

5. Завьялов В.М. Использование метода скоростного градиента в задаче синтеза систем управления асинхронными электроприводами [текст] / В.М. За вьялов, И.Ю. Семыкина // Материалы международной научно-технической конференции «Электротехнические преобразователи энергии». Томск, 2005.

С. 233-236.

6. Семыкина И.Ю. Исследование динамических свойств нелинейного ре гулятора момента асинхронного двигателя [текст] / И.Ю. Семыкина, А.Н. Ша риков // XII Международная научно-практическая конференция студентов, ас пирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Труды в 2 х т. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2006. – Т.1.

С. 287-289.

7. Завьялов В.М. Подавление упругих колебаний в горных машинах с асинхронным электроприводом [текст] / В.М. Завьялов, И.Ю. Семыкина // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып.

12. – Магнитогорск: МГТУ, 2006. – C. 247-252.

8. Завьялов В.М. Стабилизация упругого момента в двухмассовой меха нической системе [текст] / В.М. Завьялов, И.Ю Семыкина, И.А. Куприянов // Труды третьей всероссийской научно-практической конференции «Автомати зированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях» / под общей редакцией В.Ю. Островлянчика, П.Н. Кунина – Новокузнецк: изд-во СибГиу, 2006. – C. 98-101.

9. Завьялов В.М. Безынерционный источник момента на базе асинхронно го электропривода [текст] / В.М. Завьялов, И.Ю. Семыкина // Труды третьей всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный элек тропривод и промышленная электроника в металлургической и горно топливной отраслях» / под общей редакцией В.Ю. Островлянчика, П.Н. Кунина – Новокузнецк: изд-во СибГиу, 2006. – C. 121-124.

10. Завьялов В.М. Анализ отказов карьерных экскаваторов [текст] / В.М.

Завьялов, И.Ю. Семыкина // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири.

Сибресурс 2006. Материалы XI Международной научно-практической конфе ренции / редкол. : Ю.А. Антонов, В.А. Колмаков и др. ;

ГУ КузГТУ. – Кемеро во, 2006. – C. 179-180.

11. Способ управления электромагнитным моментом асинхронного дви гателя [текст]: пат. 044728 Рос. Федерация: МПК7 Н02Р 21/12, Н02Р 27/06 / В.М. Завьялов, И.Ю. Семыкина, А.В. Стародуб;

патентообладатель Государ ственное образовательное учреждение высшего профессионального образова ния "Кузбасский государственный технический университет". – № 2005140130/09;

заявл. 21.12.05.

Последняя страница Подписано в печать Формат 6084/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.

Объем 1 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.