автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Бесконтактный регулируемый электропривод подъемно-транспортных машин непрерывного действия

Введение.

1. Электромеханические системы наклонных НТМ НД.

1.1 Классификация и общие характеристижи ПТМ НД.

12 Механическое оборудование ПТМ НД.

13 Анализ современного состояния электроприводов и систем управления ПТМ НД.

1.4 Обоснование целесообразности внедрения регулируемого бесконтактного электропривода ПТМ НД.

1.5 Анализ систем управления ПТМ НД.

1.6 Выводы.

2. Системы электропривода ПТМ НД на базе асинхронного двигателя с фазным ротором.

2.1. Принципы построения каскадно-частотных систем электропривода.

2.2. Математическое описание систем каскадно-частотного электропривода.

2.3. Система векторного управления для каскадно-частотного электропривода.

2.4. Синтез замкнутых систем управления каскадно-частотного электропривода.

2.5. Анализ математической модели системы каскадно-частотного электропривода с векторным управлением и нагрузкой, характерной для ПТМ НД.

2.6. Энергетические показатели систем каскадно-частотного электропривода.

2.7. Выводы.

3. Система асинхронного электропривода ПТМ НД на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

3.1. принципы построения электроприводов преобразователями частоты и асинхронными двигателями и с короткозамкнутым ротором.

3.2. Законы управления частотно-регулируемым электроприводом

ПТМНД.

3.3. Математическое моделирование и анализ результатов математических моделей частотно-регулируемого электропривода при различных законах управления.

3.4. Экспериментальные исследования частотно-регулируемого электропривода ПТМ НД.

3.5. Выводы.

4. Система автоматического управления HTM НД на базе программируемых логических контроллеров.

4.1. Анализ и выбор структуры системы управления ПТМ НД. Технические требования к уровню автоматизации систем управления ПТМНД.

4.2. Синтез системы автоматического управления ПТМ НД.

4.3. Технические средства системы управления ПТМ НД.

4.4. Экспериментальные исследования системы автоматического управления ПТМ НД.

4.5.Вывод ы.

Подъемно-транспортные машины непрерывного действия (ПТМ НД) составляют большую и разнообразную по назначению и конструктивному исполнению группу общепромышленных механизмов, предназначенных для перемещения различных материалов рши пассажиров на горных и общепромышленных предприятиях, метрополитенах и общественных зданиях. К ним относятся различные виды наклонных конвейеров, эскалаторы, элеваторы, канатные дороги.

На метрополитенах ряда стран такие ПТМ НД как эскалаторы являются основным средством доставки пассажиров на поверхность, их надежность и провозная способность определяют весь процесс работы станции метрополитена. На Петербургском метрополитене общая численность эскалаторов превышает 216 единиц. При этом на электрооборудование ПТМ НД приходится до 30% отказов.

Для данных механизмов характерны длительные режимы работы в одном направлении, изменяющийся характер нагрзАки, пусковые и тормозные режимы под нагрузкой. При этом следует учитывать, что эскалаторы и канатные дороги предназначены для перевозки пассажиров, а, следовательно, необходимо учитывать требования безопасности и комфортности пассажиров при движении рабочего органа.

Суммарная потребляемая мощность агрегатов комплексов ПТМ НД, таких, например, как группы эскалаторов станций метрополитена, составляет несколько сотен кВт. Увеличение стоимости электроэнергии привело к тому, что при длительном режиме работы комплекса стоимость электроэнергии в общей стоимости перевозки пассажиров или материала составляет 70-80%. В этих условиях вопросы энергосбережения становятся чрезвычайно актуальными и требуют перехода к экономичным регулируемым приводам с автоматическим выбором режима работы в соответствии с изменяющимися условиями работы группы механизмов. Изменения условий связаны прежде всего с необходимостью изменения производительности ПТМ НД, которая в свою очередь зависит от целого ряда сопутствующих факторов. Например, для тоннельного эскалатора это пассажиропоток станции метрополитена.

Упругие механические колебания, возникающие в механической части ПТМ НД, ухудшают качество управления технологическими процессами, увеличивают динамические нагрузки механизмов, способствуют накоплению усталостных напряжений в элементах трансмиссий и их преждевременным отказам, что увеличивает простои оборудования, стоимость ремонта и эксплуатации, приводит к значительному экономическому ущербу. Существующие средства снижения упругих колебаний и защиты механизмов от перегрузок в виде различных демпферов и муфт предельного момента часто не обеспечивают требуемого эффекта, что определяет необходимость повышения эффективности ПТМ НД средствами электропривода.

На рассматриваемых механизмах в настоящее время широко используются системы резисторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором при использовании релейно-контакторных систем управления. Такие системы электропривода в ряде случаев имеют неудовлетворительные динамические режимы вследствие ограниченного числа пусковых ступеней. Системы резисторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором неэкономичны, так как энергия скольжения, выводимая из двигателя, преобразуется в тепловую энергию на тРкоограничивающих резисторах.

Современные тиристорные и транзисторные электроприводы обладают достаточным быстродействием, чтобы использовать их в качестве средства активного ограничения динамических нагрузок в механической системе. Наиболее эффективное ограничение получается при добавлении в систему автоматического управления (САУ) электропривода канала регулирования по усилию в механической системе.

Целью диссертационной работы является анализ вариантов и схем электропривода и разработка систем электропривода ПТМ НД, позволяющих 6 производить ограничение динамических нагрузок в механической системе и регулирование рабочих режимов механизма. Задачами исследования является; анализ ПТМ НД как объектов, характеризующихся частым изменением режимов работы, и обоснование целесообразности использования электропривода с бесступенчатым регулированием частоты вращения; сравнительный анализ и выбор типа и структуры частотного электропривода для ПТМ НД; разработка методов и исследование динамических и энергетических характеристик электроприводов ПТМ НД; синтез алгоритмов управления электроприводом ПТМ НД с реализацией на микропроцессорных аппаратных средствах.

Актуальность темы состоит в необходимости повышения эффективности работы ПТМ НД в части энергосбережения и снижения динамических нагрузок в механической части за счет использования бесступенчатого регулирования частоты вращения, а также в улучшении эксплуатационных характеристик электропривода за счет внедрения бесконтактного электропривода с микропроцессорной реализацией алгоритма управления.

4.5. ВЫВОДЫ

1. Существующие широко используемые в настоящий момент системы автоматического управления ПТМ НД на основе релейно-контактной аппаратуры не обеспечивают предъявляемых на данном этапе развития современных средств управления требований к уровню автоматизации ПТМ НД.

2. Система автоматизации ПТМ НД должна обеспечивать возможность создания рациональных режимов работы механизма посредством регулирования скорости вращения рабочего органа.

3. Основным направлением совершенствования систем автоматизации ПТМ НД следует считать разработку систем автоматического управления основанных на принципах агрегативности и иерархичности, и имеющих микропроцессорную реализацию на базе П Ж.

4. Применение в системах автоматического управления современных технических средств регулирования скорости электродвигателей (в частности преобразователей частоты последнего поколения) позволяет упростить процесс разработки систем автоматизации.

5. Аппаратная реализация системы зшравления может быть выполнена на микропроцессорных средствах фирмы SIEMENS (ПЖ семейства S-7-200) или на специально разработанных отечественных микропроцессорных средствах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие иаучвые и практические результаты:

1. Разработаны математические модели каскадно-частотных и частотных электроприводов с реализацией в среде МАТЬАВ - 81МиЬШК, позволивщие выполнить исследования режимов работы электропривода ПТМ НД с учетом специфики рабочего механизма при различных алгоритмах управления электроприводом.

2. Сравнительный анализ статических и динамических характеристик электропривода показал целесообразность использования при современных аппаратных средствах алгоритмов векторного управления, обеспечивающих улучшете динамических характеристик контзфа тока (а значит и снижение динамических перегрузок по моменту).

3. Для ограничения динамических нагрузок на механическую часть привода подъемно-транспортных машин непрерывного действия, создания энергосберегающих и рациональных режимов работы целесообразно применение бесконтактного регулируемого электропривода на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и преобразователей частоты по схеме НВ-ШИМ-И.

4. Для варианта использования асинхронного двигателя с фазным ротором целесообразно применение каскадно-частотных систем электропривода с векторным зправлением, обеспечивающих 25-35% снижение потребления реактивной мощности, увеличение КПД на 20%, а также энергосбережение при применении регулирования скорости в функции зафузки рабочего органа.

5. Иерархическая система управления подъемно-транспортными машинами непрерывного действия на базе микроконтроллеров обеспечивает повышение эффективности процессов управления.

155

6. Аппаратная реализация системы управления может быть выполнена на микропроцессорных средствах фирмы SffiMENS или на специально разработанных отечественных мтфопроцессорных средствах.

1. Башарин A.B., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л.: Энегроатомшдат. 1982. 392с.

2. Брекли Э. Символистическая логика и раззшные машины. М.: Издательство иностранной литературы. 196L 260с.

3. Бунин В., Антопренко В., Ильин А. и др. SCADA системы: проблемы выбора.// Современные технологии автоматизации. 1999. №4. с.6-24.

4. Бильченко Н.Я., Высочин Е.М., Завгордский Е.Х. Эксплуатационные режимы ленточных конвейеров. Киев.: Техника. 1964. 264с.

5. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронным электроприводом. М.: Наука. 1966. 296с.

6. Герасимяк Р.П. Динамика асинхронных электроприводов крановых механизмов. М.: Энергоатомиздат. 1996.168с.

7. Грейнер Г.Р., Ильяшенко В.П., Май В.П. Проектирование бесконтактных логических элементов промышленной автоматики. М.: Энергия. 1977. 384 с.

8. Глазенко Т.А. Импульсные полупроводниковые усилители в электроприводах. Л.-. Энергия. 1965.188с.

9. Глазенко Т. А., Гончаренко Р.Б. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. Л.: Энергия. 1966. 183с.

10. Герман-Галкин С.Г. и др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. Л.; Энергоатомиздат. 1986г. 248с.

11. Денисов К., Ермилов А., Карпенко Д. Способы управления машинами переменного тока и их практическая реализация на базе компонентов фирмы ANALOG DEVICES// CHIP NEWS. 1997. №7-8. с. 5-10.

12. Дартау В.А., Рябов В.Н. Управление по принципу подчиненного регулирования электроприводом с асинхронной машиной двойного питания.// Записки ЛГИ. r.XXXIV. 1979. с.100-106.

13. Дартау В.А., Павлов Ю.П., Рудаков В.Б., Аверкиев А.Л., Козярук А.Е. Теоретические основы построения частотных электроприводов с векторным управлением.// Автоматизированный электропривод. М.: Энергия. 1980. с.93-101.

14. Дубников Е.Г., Левин A.A. Промышленные автоматизированные системы уиравлеиих. M.v Эиертия. 1973.193с.

15. Доцковский Л.Х., Роговой В.И. Современное состояние и тенденции развития в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор)//Электротехника. №10.1996. с. 25-29.

16. Емельянов А.И., Канник О.В. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами. М.: Энергия. 1974. 500с.

17. Забродин Б.С. Промышленная электроника. М.-. Высшая школа. 1982. 496с.

18. Ильинский Н.Ф., Рожаиловский Ю.В., Горнов А.О. Энергосбережение в электроприводе. М.: Высшая школа. 1989.126с.

19. Козак С.А. Динамика мостовых кранов. М.: Машиностроение. 1968.331с.

20. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат. 1985.560с.

21. Козярук А.Е., Линник В.Б. Бесконтактный регулируемый электропривод подъемно-транспортных машин непрерывного действия.// «Горные машины и автоматика». 2001. №4. с. 19-22,

22. Кравчш А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболевская Е.А. Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник. М.: Энергоатомиздат. 1982. 504с.

23. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А., Теория электропривода. СПб.: Энергоатомиздат. 1994. 504с.

24. Лукьяиенко С.С., Лукьяненко А.С. Исследования влияния динамических нагрузок на показатели надежности конвейеров обогатительных фабрик.//Известия ВУЗов «Горный журнал». 2000. №3. с. 140-143.

25. Лушгяненко С.С. Повышение экспл}'атационных свойств нерегулируемых электроприводов горных предприятий.// Известия ВУЗов «Горный журнал». 1995. №3-4. с.87-89.

26. Лазаревский В.Г., Пийль Е.И. Синтез управляющих автоматов. М.: Энергия. 1970. 328с.

27. Лазаревский В.Г., Пииль Е.И. Синтез асинхронных конечных автоматов. М.: Наука. 1964. 260с.

28. Левитов С.Д., Пятибратов Г.Я. Об использовании электропривода для ограничения динамических нагрузок в передачах.// Известия ВУЗов «Электромеханика». 1978. №10. с.1096-1102.

29. Левинтов С.Д., Пятибратов Г.Я., Головач B.C. Магнитоупругие измерители крутящего момента на валах механизмов эскалаторов.// Известия ВУЗов «Горный журнал». 1979. №11. с.106-109.

30. Левинтов С.Д., Пятибратов Г.Я., Ольховников Г.В. Ограничение динамических нагрузок копающих механизмов карьерных экскаваторов.// Известия ВУЗов «Горный журнал». 1980. №10. с. 100-104.

31. Меклер А.Г. Электрооборудование машин непрерывного транспорта. М.: Машиностроение. 1973. 296с.

32. Мещеряков В.Н., Федоров В.В. Асинхронно-вентильный каскад с инвертором в цепи статора и общим звеном постоянного тока.// Известия ВУЗов «Электромеханика». 1998. №6. с.47-50.

33. Мещеряков В.И., Шишлин Д.И. Построение замкнутой системы управления каскадно-частотным электроприводом.// Известия ВУЗов «Электромеханика». 1998. №4. с.46-50.

34. Мещеряков В.Н. Электромеханические системы с асинхронным двигателем с фазным ротором для подъемно-транспортных механизмов металлургических преддриятий.// Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. СПб. 1998. 307с.

35. Москаленко B.B. Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатомиздат. 1986.416с.

36. Микропроцессорные системы управления в робототехнике. Под общей редакцией Маркова И.М., Охоцименского Д.Е., Попова Е.П. М.: Наука. 1984.177с.

37. Минскер Э.И., Сущев М.И. Разработка релейно-контакторных схем управления производственных механизмов. М.: Энергия. 1972. 308с.

38. Онищенко Б.Г., Локтева И.Л. Асинхронно-вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия. 1979. 200с.

39. Орлов ИМ., Тарасов В.Н. Бесконтактный электропривод, летательных аппаратов. М.; Московский Энергетический Институт. 1992. 110с.

40. Поминов И.Н. Эскалаторы метрополитена. М.: Транспорт. 1993.296с.

41. Поминов И.Н., Олейник A.M. Эскалаторы. М.: Машиностроение. 1973.180с.

42. Пятибратов Г.Я. Развитие теории и практики управления усилиями в электромеханических системах с упругими связями.//Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических назтс. Краснодар. КОРГТУ (НПУ). 2000. 38с.

43. Правила устройства и безопасной эксплуатации эскалаторов (ПБ 10-77-04). М.: НПО ОБТ. 1997. 100с.

44. Патент 2099S50 РФ. Способ управления асинхронным двигателем с фазным ротором Мещеряков В.М. заявл. 18.04.96. №96108106/09. Опубл. Бюл. 1997. №35. МКЙШ2Р. 7/63.

45. Поспелов Д.А. Логические методы анализа и синтеза схем. М.: Энергия. 1974. 368 с.

46. Плавинский В.И. Машины непрерывного транспорта. М: Машиностроение. 1969. 480с.

47. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В. А. Асинхронные электоприводы с векторным управлением. Л.; Энергоатомиздат. 1987. 134с.

48. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М". Энергоатомиздат. 1992. 29бс.

49. ACS600. Руководство по программному обеспечению. Стандартная прикладная программа 5.ХХХ ABB Industry. Oy. 2000.140с.

50. Программируемые логические контроллеры S-7-200 Департамент автоматизация и приводной техники SIEMENS. 2001. CD-rom.

51. Соловьев A.C., Соловьев B.C. Электропривод конвейерных установок. Л.: РТП ЛГИ. 1977. 50с.

52. Сабинин Ю.А., Грузов В.А. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод. Л.: Энергоатомиздат. 1985.128с.

53. Сандлер A.C., Сарбатов P.C. Автоматическое частотное управление асинхронным двигателем. М.: Энергия. 1974. 328с.

54. Справочник по автоматизированному электроприводу./ Под редакцией Елисеева В.А., Шинянского A.B. М.: Энергия. 1983. 616с.

55. Системы и устройства автоматики для горных предприятий на основе микроэлектроники и микропроцессорной техники. Под редакцией Камышина Ю.П., Мелькумова Л.Г. М.: Недра. 1992. 363с.

56. Стальский В.В. Проектирование, монтаж и наладка систем автоматики. Л.-.РТП ЛГИ. 1987.100с.

57. Транспорт на горных предприятиях. Под общей редакцией проф. Кузнецова Б. А. М.: Недра. 1976. 552с.

58. Терехов В.М. Дискретные и непрерывные системы управления электроприводом. М.: МЭИ. 1989. 120с.

59. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. М. : Энергоатомиздат. 1987. 224с.

60. Фрейдзон И.Р. Судовые автоматизированные электроприводы и системы. Л.: Судостроение. 1975. 439с.

61. Хватов СВ., Грязнов В.И., Крюков О.В. Асинхронно-вентильные каскады с микропроцессорным управлением. М.: Сер. ЭлектротехПромЭяектрояривод. 1990. 52с.

62. Хватов C.B., Титов В.Г., Посвробко A.A. Асинхронно-вентильные нагружающие устройства. М.: Энергоатомиздат. 1986.144с.

63. Штокман И.Г. Об основных параметрах рудничных конвейеров//У голь. 1957. Ns3. c 25-30.

64. Штокман И.Г. О прочности тяговых цепей и режимах работы рудничных конвейеров // Уголь Украины. 1959. №6. с 20-24.

65. Штокман И.Г. О появлении динамических усилий в тяговых органах конвейеров//Вестник машиностроения. 1955. №7. с 57-60.

66. Штокман И.Г. Динамика тяговых цепей рудничных конвейеров. М.: Углетехиздат. 1959. 290с.

67. Шулаков Н.В., Медведев E.H. Асинхронный вентильный каскад с последовательным возбуждением двигателя.// Известия ВУЗов «Электромеханика». 19S8. с.47-54.

68. Шишлин Д.Н. Вентильные системы асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением.// Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Липецк. 2000. 18с.

69. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. М.: Энергоатомиздат. 1982.192с.

70. Ястремский СИ., Кулешов A.A., Васильев К.А., Хачатрян CA. Проблемы шахтного конвейерного транспорта в ОАО «Воркута уголь» и пути их решения.// Горные машины и автоматика. 2001. Ш4. с.23-25.

71. BlascWtc F. Das Pzinzip der Feldozientiezung, die Ynmdlage for die TRANSVEKTOR-Regelung von Asynclironmaschienen/ZSiemens-Zeitsch, 1971, p45.

72. Blaschke F. The principle field orientation as applied to the new transvector closed-lop control system for rotating field machines. "Siemens Rev.",1972, 34 ,May.160

73. Gabriel R., Leonard W. Microprocessor control of induction motor. "IEEE/IAS int. Semicond. Power Converter. Conf. Rec." S. L, 1982, p385-396.

74. Programmable Controller SYSMATC CQMIH. Distriubuted Control with Cjmpact PLCs. Omron Corporation EA Systems Divisin H.Q. Mishima-city. Japan. 2000. p70.

75. Matsushita Automation Controls ppl Holzkirchen. Deutschland. 2000.p8.