автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Динамические процессы электромеханических систем горных машин в режимахпуска и стопорения

На правах рукописи

п Г* <~

! ^ о

ПД

ЕЩИН Евгений Константинович

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ГОРНЫХ МАШИН В РЕЖИМАХ ПУСКА И СТОПОРЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование"

Автореферат диссертации на соискание ученой степ доктора технических наук

Екатеринбург - 1996

Работа выполнена в Кузбасском государственном техническом университете

Научный консультант - докт. техн. наук, проф. Курехин В.В. Официальные оппоненты:

Засл. деятель науки и техники РФ, докт, техн. наук, проф. Разгильдеев Г.И., докт. техн. наук, проф. Пугачев Е.В., докт. техн. наук, проф. Носырев М.Б.

Ведущая организация АО "Северокузбассуголь"

Защита состоится 26 апреля 1996 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 063.03.01 Уральской государственной горногеологической академии (620144, г.Екатеринбург, ул.Куйбышева, 30)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной горно-геологической академии.

Автореферат разослан 20 марта 1996 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Прокофьев Е.В.

Актуальность работы. Одним из путей дальнейшего повышения технико-экономических показателей горных машин является совершенствование методов исследования и расчетов их электромеханических систем. На этих методах основывается проектная практика. Над решением проблемы создания эффективных средств исследования и проектирования горных машин и их электромеханических систем работает ряд научно-исследовательских, проектно-конструкторских организаций, а также ряд высших учебных заведений России и других стран. Большой вклад в разработку научных основ этой проблемы внесли Я.И. Альшиц, В.Е. Бурдин, П.А. Горбатов, Е.Е. Гольдбух, В.Г. Гуляев, Б.Л. Давыдов, A.B. Докукин, П.М. Золотарев, В.П. Кондрахин, Ю.Д. Красников, Ю.В. Кривченко, В.К. Кутас, А.Б. Логов, Ю.В. Москвин, В.Б. Павельев, Н.П. Павлюк, П.П. Палев, Б.А. Скородумов, П.А. Сиригос, П.В. Семенча, C.B. Солод, З.Я. Хургин, Л.И. Чугреев и другие. Научные основы исследования режимов работы электромеханических преобразователей энергии изложены в трудах А:А: Булгакова, А.И. Важнова, С.Н. Вешеневского, А.И. Вольдека, A.A. Горева, Я.П. Гринберга, И.П. Копылова, К. Ковача, Е.В. Кононенко, Г.Крона, A.B. Лооса, A.M. Мейстеля, Р. Парка, И.И." Петрова, Л.П. Петрова, В.М. Петрова, И.М. Постникова, И. Раца, Г.А. Сипайлова и других.

Однако до настоящего времени горные машины (ГМ) не являются в достаточной мере изученными объектами с точки зрения формирования нагрузок в их элементах.

Многими исследователями отмечается, что в существующих нормативных документах по расчету деталей трансмиссий на прочность и долговечность не отражена реальная картина нагружения, например, очистных комбайнов в процессе эксплуатации, что наблюдается несоответствие расчетных и фактических режимов нагружения, вызванное недостоверным выбором модели процесса, что существующие методы расчетов нагруженности элементов трансмиссии не дают удовлетворительной сходимости с данными экспериментальных исследований. Также отмечается, что до настоящего времени отсутствует достоверная объективная информация о реальных режимах нагружения деталей горных машин, и рекомендуется повышение надежности горных выемочных машин вести в направлении уточнения эксплуатационной нагруженности деталей и совершенствования расчетов.

Переходные режимы пуска и стопорения составляют значительную долю всего рабочего цикла ГМ. Электромеханические системы ГМ в режиме пуска или стопорения находятся в специфических условиях работы.

Специфика состоит в способе изменения энергетического состояния системы. Например, в .режимах пуска происходит резкое изменение потока энергии, направляемого в систему со стороны силового трансформатора, а режимах стопорения, особенно экстренного, происходит интенсивное перераспределение запасенной энергии между элементами электромеханических систем ГМ.

Эти процессы интенсивного изменения энергетического состояния системы сопровождаются появлением в механических и электрических элементах приводов ГМ значительных по величине перегрузок. С точки зрения нагруженности элементов приводов в режимах пуска и стопорения можно говорить о предельном состоянии всей электромеханической системы привода. По этой причине можно назвать рассматриваемые режимы работы горных машин предельными и далее в тексте для определения режимов пуска и стопорения использовать этот термин.

Теоретическое исследование и, следовательно, проектирование приводов ГМ для режимов пуска и стопорения затруднено по следующим причинам:

1. Из-за наличия конечной жесткости элементов трансмиссий (механических передаточных устройств - МПУ), из-за присутствия в них зазоров в предельных режимах работы существуют моменты времени, когда при вращающемся роторе (роторах в многодвигательном приводе) исполнительного асинхронного электродвигателя (АД) исполнительный орган ГМ неподвижен. Для этих моментов времени (для этих условий передачи энергии от валов двигателей к исполнительным органам) недопустимо вести расчеты по оценке внутреннего состояния МПУ с использованием широко распространенных двух- или трехмассовых приведенных расчетных схем.

2. Во время работы существует несколько контуров обмена энергией между элементами электромеханической системы. Например, для двухдвигательного выемочного комбайна 1ГШ68 существуют пути обмена электрической энергией между обмотками статоров электродвигателей и силового трансформатора, кинетической энергией вращающихся масс между трансмиссиями при жестко связанных роторах, а также пути обмена энергией в процессах преобразования энергии между электрическими и механическими компонентами привода.

Существование множества путей обмена энергией в электромеханической системе при ее теоретическом исследовании требует полного поэлементного описания системы и в том числе ее механических компонентов.

Особенность схемной. компрновки электрических машин электро-: механических систем ГМ состоит в том, что в большинстве современных угледобывающих комбайнов используемые АД (электромеханические преобразователи энергии) оказываются в процессе пуска включенными "параллельно", но не сразу, а в определенной временной последовательности, При этом в предельных режимах работы они оказывают, влияние не только.друг на друга, но и на процессы формирования внутреннего динамического состояния МПУ. Это приводит к необходимости рассмотрения переходных явлений не на основе использования математических моделей одиночного электромеханического преобразователя, а целиком связанной системы передачи и преобразования энергии "силовой трансформатор - протяженная кабельная сеть - АД - АД", а поскольку при этом изменяется силовое воздействие на МПУ, то в целом необходимо рассматривать в предельных режимах единую цепь энергетического преобразования "силовой трансформатор - кабельная сеть - АД - АД - МПУ". Модели, описывающие совместную работу нескольких электромеханических преобразователей энергии, кабельной сети и трансформатора, отсутствуют. - ,

3. Корпуса некоторых горных машин незакреплены и имеют возможность пространственного (вибрационного) изменения, их,положения в режимах пуска и стопорения. Поскольку исполнительные"АД конструктивно составляют единое целое с корпусами, то при всяко;»! изменении положений корпусов могут происходить пространственные изменения положений обмоток статоров АД относительно осей роторов (особенно для современных компоновочных схем выемочных комбайнов). Существующая теория описания переходных процессов в электромеханических преобразователях ориентирована на неподвижный статор двигателя. Вопросы формирования электромагнитных моментов асинхронных электродвигателей с незакрепленным статором не изучены.

4. Предельные режимы работы, как правило, сопровождаются изменением скоростей вращения всех элементов электромеханических систем ГМ в полном диапазоне. Для применяемых в приводах ГМ короткозамк-нутых асинхронных электродвигателей с глубокопазными роторами это означает изменение параметров обмоток роторов, а также параметров цепей намагничивания во время существования этих режимов. Вопросы определения параметров АД, особенно роторных цепей требуют дополнительного изучения.

5. Формирование необходимой динамической нагруженности ГМ возможно на основе использования исполнительных электрических ма-

шин в качестве элементов, создающих силовые управляющие воздействий. При этом задача управления сводится к управлению состоянием электрических машин и, в частности, к задаче формирования необходимого значения электромагнитного момента двигателя.

Вопросы использования исполнительных электрических машин многодвигательного привода ГМ в качестве формирователей силовых управляющих воздействий на механические передаточные устройства в достаточной мере не исследованы.

Перечисленные проблемы свидетельствуют о необходимости уточнения теории динамических явлений в электромеханических системах горных машин, находящихся в предельных режимах и об актуальности работы.

Связь темы диссертации с государственными научными программами.

Исследования проводились в рамках комплексного плана Е42 "Автоматизация электротехнического оборудования" (приказ Министерства электротехнической промышленности СССР №563 от 04.11.80) и отраслевой научно-технической программы Министерства электротехнической промышленности СССР (приказ МТМ №547 от 21.10.85)

Цель работы - разработка основ комплексного описания, объяснения и прогнозирования динамических процессов передачи и электромеханического преобразования энергии в горных машинах в режимах пуска и стопорения, направленных на повышение уровня эксплуатации и для использования при исследовании этих процессов в проектной практике.

Идея работы состоит в использовании (учете) явлений в интегрированной 1 системе передачи и электромеханического преобразования энергии при формировании ее динамической нагруженности для разработки методов описания, объяснения и прогнозирования состояний горных машин в режимах пуска и стопорения на базе численных методов и теории оптимального управления.

Научная проблема состоит в:

- разработке структуры интегрированной математической модели передачи и электромеханического преобразования энергии силовыми электрическими компонентами многодвигательного привода горных машин, учитывающей возможность обмена энергией между ее компонентами, изменение параметров компонентов, возможность пространственного

1 включающей компоненты: силовой трансформатор, кабельную сеть, АД, АД, МПУ, исполнительный орган.

(вибрационного) изменения положения привода, изменение условий передачи энергии;

- разработке методов определения параметров й характеристик асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором в полном диапазоне изменения скоростей вращения роторов;

- исследовании вопросов управления состоянием приводов горных машин, обеспечивающих возможность проведения как параметрической оптимизации привода, так и активных форм управления;

- получении и оценке динамических характеристик интегрированных моделей для определения условий реального нагружения элементов электромеханических систем приводов в предельных режимах работы.

Защищаемые Научные положения и результаты, их новизна.

Положения:

1. Моделирование системы передачи и электромеханического преобразования энергии компонентами "трансформатор - кабельная сеть -АД - АД - механическое передаточное устройство - внешняя среда" (интегрированной системы) в виде системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений переменной структуры с учетом установленных явлений является основой для представления процессов формирования динамической нагруженности электромеханических систем горных машин для режимов пуска и стопорения.

2. Оценка динамической нагруженности элементов электромеханических систем горных машин производится на основе интегрированных математических моделей, которые комплексно учитывают явления, связанные с обменом энергией между ее компонентами, изменением параметров компонент при изменении скоростей вращения двигателей от нуля до области номинальных значений, влиянием пространственного (вибрационного) изменения положения электромеханических преобразователей на величины их электромагнитных моментов, влиянием условий передачи энергии от валов двигателей к исполнительным органам (влияние распределенной системы зазоров трансмиссий и пр.) на качественные и количественные характеристики нагруженности приводов и базируются на специально разработанных методах учета этих явлений.

3. Определение параметров и характеристик исполнительных асинхронных электродвигателей для полного диапазона изменения их скоростей вращения производится на основе информации, содержащейся в значениях и формах токов и напряжений статоров двигателей в режиме пуска.

4. Построение практических вариантов систем управления динамической нагруженностью производится на основе специально полученных средствами вариационного исчисления произвольных совокупностей оптимальных связей целевых функционалов с уравнениями движения, которые неявным образом учитывают структуру и режим работы приводов горных машин.

Результаты.

1. Создано математические описание процессов передачи и электромеханического преобразования энергии в приводе горной машины с областью действия - "силовой трансформатор - протяженная кабельная сеть - асинхронные^электродвигатели - компоненты механического передаточного устройства (трансмиссия) - исполнительный орган" для исследования динамических процессов горных машин в режимах пуска и сто-порения. Математическое описание этой интегрированной системы дает возможность исследовать состояние, поведение и влияние любого ее компонента на другие (электрические или механические) на уровне внешней и внутренней динамики горной машины.

2. Разработано математическое описание горной машины для режимов пуска и. стопорения, которое позволяет обеспечить уточнение эксплуатационной нагруженности элементов привода за счет учета изменения их параметров, а также за счет учета особенностей формирования величин электромагнитных моментов электродвигателей при пространст1 венном (вибрационном) перемещении корпусов горных машин и взаимовлияния электрических и механических элементов приводов.

3. Созданы алгоритмы преобразования информации по данным типовых статических испытаний асинхронных электродвигателей, которые дают возможность получения зависимостей переменных параметров роторов и цепей намагничивания от скорости вращения ротора для использования в интегрированной модели привода горной машины (ГосФАП №50860000768).

; 4. Получены сведения о наблюдаемых и ненаблюдаемых параметрах, статических и динамических характеристиках исполнительных асинхронных электродвигателей приводов на основе информации, содержащейся только в формах и значениях токов и напряжений их обмоток статоров в предельных режимах работы (А.с.№ 1468211) .

■ 5. Результаты опытно-промышленной эксплуатации компьютеризированного комплекса для проведения испытаний асинхронных электродвигателей подтверждают положения разработанной теории определения

необходимых для исследования систем горных машин электромагнитных и механических параметров и характеристик двигателей (А.с.№1802347).

6. Синтезированы квазиоптимальные управления состоянием привода горных машин, которые обеспечивают в предельных режимах работы улучшение их динамического состояния. Например, для забойных машин, обеспечивается улучшение динамической нагруженности привода ГМ с одновременным подавлением автоколебаний, характерных для систем "преобразователь - АД" (А.с.№782115).

Исследованные в реальных условиях эксплуатации горных машин аналитические конструкции регуляторов для управления динамическим состоянием приводов (например, скребковых конвейеров) обеспечивают улучшение динамического состояния приводов, уменьшая амплитуды динамических составляющих усилий в, ¡механических компонентах приводов в 5-7 раз (A.c. №№750175, 953293, 899884).

7. Получены количественные и качественные оценки динамического состояния привода (на примере привода резания выемочного комбайна) которые обеспечивают возможность исследования режимов работы электрических и механических элементов конкретного привода ГМ для: условий пуска и стопорения исполнительных органов; условий использования горной машины в сети энергоснабжения с различной длиной питающего кабеля; условий использования приводов горных машин с двигателями, отличающимися по параметрам, в частности, исследовать влияние отличия параметров электродвигателей в двухдвигательном. приводе комбайна на динамическую нагруженность зубчатых колес, вало-проводов редукторов режущей части и т.п.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель передачи электрической энергии от силового трансформатора через протяженную кабельную сеть и совместного преобразования ее двумя асинхронными электродвигателями.

2. Произведена оценка влияния погрешностей из-за изменения переменных параметров электрических компонентов во времени на результаты моделирования режимов пуска и стопорения горных машин.

3. Произведен учет в интегрированной математической модели передачи и преобразования энергии влияния возможных пространственных (вибрационных) перемещений корпусов статоров исполнительных асинхронных электродвигателей на величины развиваемых ими электромагнитных моментов.

4. Установлена принципиальная невозможность использования в практике исследования режимов пуска и стопорения приведенных расчетных схем механических передаточных устройств приводов горных машин. •

5. Разработаны алгоритмы определения переменных и постоянных параметров электродвигателей: обмоток роторов (активного и реактивного сопротивлений), индуктивного сопротивления цепи намагничивания, активного сопротивления обмотки статора, момента инерции ротора, а также характеристик АД.

6. Решена общая задача синтеза оптимального управления состоянием асинхронных электродвигателей в приводах горных машин.

7. Разработаны алгоритмы построения вариантов оптимальных аналитических конструкций управляющих устройств электромеханическими системами горных машин при использовании АД в качестве формирователей силовых управляющих воздействий.

8. Разработаны варианты квазиоптимального управления динамическим состоянием приводов горных машин для режимов пуска и стопорения.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: значительным объемом лабораторных и производственных экспериментов в лабораториях, на стендах и производственных условиях в объединениях "Кузбассуголь" (шахта им. С.М. Кирова, скребковый конвейер СП-63, выемочный комбайн КШ1КГ), "Кузбассразрезуголь" (разрез "Кедровский", экскаватор-драглайн ЭШ-10/70 №175), НИИ НПО Кузбассэлектромотор (двигатели серии ВРП); удовлетворительной сходимостью численных результатов аналитических исследований с результатами экспериментов (погрешность 3-5%); корректностью постановки задач и адекватностью используемого математического аппарата исследуемым процессам; внедрением разработанных методов в практику.

Методы исследований. При выполнении работы использовались математические и экспериментальные методы исследований. При решении вопросов моделирования динамических систем высокого порядка использовались численные методы решения дифференциальных уравнений, численные методы решения нелинейных алгебраических уравнений. При решении проблем определения параметров АД использовались методы конечно-разностной аппроксимации функций. При исследовании вопросов управления состоянием приводов ГМ, определении параметров АД использовались методы теории оптимального управления

(классическое вариационное исчисление, принцип максимума Л.С.Понтрягина, достаточные" условия абсолютного минимума В.Ф.Кротова). Обработка результатов экспериментальных исследований велась с привлечением аппарата математической статистики.

Личный вклад заключается в развитии научного направления, связанного с исследованием динамических явлений в электромеханических силовых элементах приводов ГМ, находящихся в предельных режимах работы. В рамках отдельных разделов диссертации личный вклад автора заключается: в разработке интегрированной математической модели передачи и электромеханического преобразования энергии силовыми электрическими и механическими компонентами многодвигательного привода горных машин, учитывающей возможность обмена энергией и условий ее передачи между компонентами, изменение параметров компонентов, возможность пространственного изменения положения привода; в разработке процедур определения наблюдаемых и ненаблюдаемых параметров асинхронных электродвигателей, определяющих динамическую нагруженность приводов ГМ в предельных режимах работы; в разработке аналитических конструкции управляющих устройств состоянием приводов горных машин; в определении характеристик динамических процессов в механических и электрических элементах привода ГМ, в выполнении вычислительной работы (разработке информационных технологий получения данных) по всем разделам работы, участием в выполнении экспериментальных исследований и проведении производственной проверки полученных результатов.

Практическое значение работы состоит;

-в разработке математических моделей и методов исследований, обеспечивающих на этапе проектирования повышение надежности горных машин за счет уточнения эксплуатационной нагруженности элементов приводов;

-в разработке средств эффективного определения параметров электрических компонентов систем приводов (АД), что обеспечивает уточнение характера нагруженности элементов приводов;

-в разработке практически реализуемых алгоритмов управления состоянием приводов в предельных режимах работы.

Практическая значимость работы подтверждается использованием ряда научных положений работы при проектировании и исследовании характеристик асинхронных электродвигателей для приводов горных машин в НИИ взрывозащищенных электрических машин, а также использованием их в учебном процессе КузГТУ (дисциплина

"Математические модели в расчетах на ЭВМ" для специальности 210500 "Электропривод и автоматизация промышленных установок").

Реализация результатов работы: Разработанные модели исследования систем приводов, методы назначения и практического определения параметров исполнительных электродвигателей горных машин используются НИИ взрывозащищенных электрических машин (НИИ НПО "Кузбассэлектромотор"), являющимся головной организацией по созданию взрывозащищенного электрооборудования для различных отраслей Российской Федерации (приказ №20 от 03.06.92 Департамента электротехнической промышленности Министерства промышленности РФ), при проектировании асинхронных электродвигателей для выемочных комбайнов и скребковых конвейеров.

Материал работы также используется в учебном процессе КузГТУ при проведении занятий по дисциплине "Математические модели в расчетах на ЭВМ" для специальности 210500 "Электропривод и автоматизация промышленных установок".

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Современное взрыво-защищенное электрооборудование" (Донецк, 1975), III Всесоюзной конференции "Проблемы тиристорного электропривода" (Свердловск, 1974), научно-технической конференции по автоматизации технологических процессов (Пермь,-1977), Всесоюзном научно-техническом совещании "Автоматизация проектирования в электромашиностроении" (Суздаль, 1989), VI научно-технической конференции "Повышение надежности и экономичности взрывозащищенного электрооборудования" (Кемерово, 1989), на научно-технических семинарах НИИ НПО "Кузбассэлектромотор", научных конференциях Кузбасского политехнического института.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, включая 1 монографию и 6 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов и заключения, изложенных на 270 страницах машинописного текста, содержит 135 рисунков, 8 таблиц, список литературы, включающий 230 наименований, приложения.

Работа выполнена на кафедрах электропривода и автоматизации (автоматизации производственных процессов), вычислительной техники Кузбасского государственного технического университета, а также на лабораторной базе НИИ НПО Кузбассэлектромотор (ныне НИИ взрывозащищенных электрических машин, г.Кемерово).

Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность сотрудникам названных кафедр и лабораторий, своим коллегам П.Д.Гаврилову, В.Л.Иванову, В.И.Янцену за помощь в решении многих проблем, а также научному консультанту работы докт. техн. наук, профессору В.В. Курехину за научные консультации и методическую помощь при подготовке и завершении диссертационной работы.

Отдельно автор благодарит коллективы и руководство шахты км.С.М.Кирова, разреза "Кедровский" (Кузбасс), НИИ взрывозащищен-ных электрических машин (г.Кемерово) за предоставленные возможности проведения экспериментальных работ.

Основное содержание работы.

1.ОБЩАЯ ОЦЕНКА ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ГОРНЫХ МАШИН В ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМАХ

В этой главе дается краткая характеристика предельных режимов работы приводов основных горных машин (выемочных и проходческих комбайнов, скребковых конвейеров, погрузочных машин и пр.), рассматриваются проблемы теории и расчетной практики при исследовании режимов пуска и стопорения в электромеханических системах горных машин, формулируется цель работы и решаемые в ней проблемы.

2.МОДЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ГОРНЫХ МАШИН

Известна математическая модель асинхронного электродвигателя (АД) как одиночного электромеханического преобразователя энергии, описанная, например, в классических работах К. Ковача и И. Раца, И.П. Копылова. Эта модель является в настоящее время одной из наиболее распространенных. Известны многочисленные примеры ее использования в прикладных областях, в частности, при расчетах динамического поведения электроприводов горных машин в работах A.B. Докукина, Ю.Д. Красникова, З.Я. Хургина, Б.Я. Старикова, И.Л. Азарха и других исследователей. Отмечается, что она дает правильные результаты в любых режимах работы АД при условии правильного определения параметров модели. При этом особое внимание обращается на необходимость учета магнитной нелинейности, поверхностного эффекта и других факторов. Явление поверхностного эффекта, насыщение магнитной цепи двигателя, наличие гармонических составляющих сказываются на величинах и формах токов фаз статора, напряжении статора, скорости вращения ротора.

В этом разделе работы показано, что в режимах описания динамического поведения предельных режимов работы электроприводов горных машин эта модель может быть принята за основу при решении задачи синтеза интегрированной модели с последующим внесением уточняющих и расширяющих сферу действия элементов, характерных для приводов этого класса.

Необходимость уточнения и "расширения области действия модели объясняется следующими причинами. Во-первых, в большинстве приводов современных горных машин используется двухдвигательный привод с питанием от одного источника (трансформатора соизмеримой мощности) через протяженную кабельную сеть. Это означает, что при исследовании динамических явлений этого привода необходимо учитывать взаимовлияние двигателей друг на друга, выражающееся в возможности генерации энергии одним двигателем в электромеханическую систему другого через обмотки статоров, разброс га параметров, а также влияние параметров кабельной сети и трансформатора на характеристики электродвигателей. Все это возможно при наличии математической модели системы, состоящей из трансформатора, протяженной кабельной сети и двух асинхронных короткозамкнутых электродвигателей.

Во-вторых, предельные режимы работы горных машин характеризуются изменением скоростей вращения роторов электродвигателей от области нулевых значений до области номинальных значений. Это означает, что для достоверного определения величин электромагнитных моментов АД необходимо знать параметры электродвигателей, которые зависят от скорости вращения роторов (активное и индуктивное сопротивление ротора) во всем диапазоне ее изменения.

В-третьих, особенностью электроприводов горных машин является возможность их пространственного перемещения. Это означает, что в предельных режимах работы могут появляться вибрационные движения корпусов статоров электродвигателей вокруг осей роторов, что при-

Рис. I .Схема электроснабжения системы АД+АД

водит к изменению суммарных частот вращения электромагнитных полей статоров и последующему изменению электромагнитных моментов

двигателей.

В работе показано, что для исследования предельных режимов работы горных машин необходима разработка интегрированной математической модели электрических компонентов приводов, учитывающей их структуру и особенности режимов работы для расчетной схемы электроснабжения, изображенной на рис.1.

Графическое изображение модели, соответствующей этой принципиальной схеме приведено на рис.2. Для этой интегрированной системы, состоящей из трансформатора, кабельной сети и двух асинхронных двигателей, после выполнения определенной аналитической работы по синтезу аналитической конструкции модели, было получено описание процессов передачи и электромеханического преобразования энергии в виде нелинейной системы обыкновенных дифференциальных уравнений, т.е. разработана математическая модель передачи электрической энергии от силового трансформатора через протяженную кабельную сеть и совместного преобразования ее двумя асинхронными электродвигателями в следующем виде:

Dv*i = [- La L'si rt + {Ltn~ Lkt- L'si ^ + v3 + L'si vi)] / Д, = [- La L's2 v4 + {Ltn - Lk\~ Lл »5 + *5 + LA *)] / Д. '

= - Rr\ ím 1 ~ PCM . -0^431 = - Rrlífl + Prn Тлхь

Usa2

г 'Ys

Рис. 2. Расчетная схема передачи и электромеханического преобразования энергии в приводах горных машин

= [- Еа Ев2 + (£^ - ¿^Х- Х',2 VI + Гй ^ + кЗ)] / Л, = [- Га Г ,2 + - £*)(- Гй * + Гд Я + / А,

£^2 = - Лг21ю.2 - Рт^^г » Г'Ч'йа = г/ах - Яв/'йа. = - &2/4Й + Рт , = и«ъ - Лц1ф

= £«• (^ - * - £'л / Д + Лггг /9> ¿»Тгф = ¿аг{* - Е$1 * - Га1 / А + кит ,

= Еа^-Ев 1*5)/Л,

* = - Яа1#у+ кот + (/г^г -Л) у"вр, где ^ = - Кб2 + кит^° + {Ио-Як) :

1 о -{~Ьит+Ьк) ¿'«2 Гд -ГлГ«2

^ = - /ях1 + + (Нот ~ Як)ш ,

¿2 = - Лд Ла2 + ксп^ + (Яот - Л*)/л* •

Обозначения переменных ясны из рис.2. Символ ¿) означает операцию дифференцирования по времени. Параметры, начинающиеся с Л - с индексами яг, г г (/=1,2), ¿5, /г и к - активные сопротивления обмоток статоров и роторов АД, первичной и вторичной трансформатора и кабеля. Параметры, начинающиеся. с к, V - с индексами п (¡=1,2), ш, ш - соответственно коэффициенты электромагнитной связи и переходные индуктивности; р - число пар полюсов; о с индексами 1,2 -геометрическая угловая скорость вращения роторов АД.

Математическое

описание этой интегриро- Рис. 3.Деформация моментных характеристик ванной системы дает воз- АД при изменении длины кабельной сети

X X

ь

к &

2 О

а

0.50

0.60 0.70

Время,с

О.ВО

можность исследовать состояние, поведение и влияние любого ее компонента на другие.

Например, процесс деформации моментных характеристик во время пуска электродвигателей при разной длине питающего кабеля показан на рис.3.

Переход от идеализированной модели к реальной заключается в учете явлений насыщения магнитопроводов электрических машин и поверхностного эффекта, проявляющегося в изменении параметров роторных цепей электродвигателей с изменением скоростей вращения роторов.

Для учета в расчетной практике влияния нелинейной зависимости индуктивности цепи намагничивания в работе была получена алгебраическая связь Б. 1.

Решение этого уравнения, т.е. нахож-

Е 1

А+ -А А

г де Пай = Ч^ - ¿1

Непй = ч>,<р - Ц

((Леи*)2 + (/йттй)2]),

Ь\Ь2 + Ь\Ьт+ ¿2 Ьт ' (Ьт+ £2)4^ ~ ф

Ь\ Ьг + Ь\ Ьт + ¿2 Ьт

дение такого Ь„„ что Г(Ьт)=0, для известных начальных значений по-токосцеплений статора и ротора производится численными методами

отыскания действительных корней функции. Естественно, аналогичные зависимости записываются для каждого АД и трансформатора.

Для учета изменения параметров роторной цепи был применен аналитический подход, заключающийся в использовании формул расчета индуктивности и активных сопротивлений обмоток в уравнениях дина-иикиЖектромеханических преобразователей энергии.

В работе показано, что можно получить необходимые для использования в интегрированной модели привода ГМ зависимости активного и индуктивного сопротивлений ротора от скорости вращения, которые графически выглядят по рис.4 (АД ВРП160М6). Семейства кривых на этом рисунке иллюстрируют качественный и количественный характер из-

4.00

3.20

3.40

0.80

0.00

4.00

3.20

2.40

- 1.60

0.00

-го о го 40 ео во юо 120 уис. 4.Изменение параметров обмотки ро-порной цепи АД при различных скоростях ращения ротора

менения параметров обмоток роторных цепей в зависимости от скорости вращения роторов, а также реальное отличие по параметрам двигателей одного типа.1

При этом аппроксимирующие полиномы зависимостей активных и индуктивных сопротивлений ротора от скорости вращения, полученные методом наименьших квадратов, будут выглядеть (например, для АД ВРП160М6 №6070): & = 1.3028 - 0.01605® + 0.000115 ю2. Хг = 1-5061 + 0.004б55ю - 0.000043со2 + 0.000001 ю3;

Был произведен анализ необходимости учета изменения параметров модели во времени с точки зрения влияния этих изменений на результаты моделирования.

Анализ показал, что структура системы дифференциальных уравнений, описывающая поведение комплекса "АД + АД + кабель + трансформатор", в этом случае изменяется. Порядок ее увеличивается по крайней мере на пять. Результаты моделирования процессов одновременного пуска одинаковых двигателей с учетом и без учета методической погрешности, вызванной изменением индуктивных параметров электрических машин и связанной с изменением Структуры показали, что во всех рассмотренных вариантах наблюдается практическое совпадение результатов расчетов.

Как уже отмечалось, при работе многих горных машин при появлении динамического момента в электроприводе вследствие изменяющейся реакции опор возможно пространственное (вибрационное) перемещение их корпусов.

Как правило, исполнительные асинхронные электродвигатели ГМ составляют единое целое с корпусом и перемещаются вместе с ним, При этом может происходить пространственное. изменение положения статора относительно оси ротора. Появившееся , вращательное, движение корпуса АД,, содержащего обмотки статора, изменяет электрическую частоту вра-

Ь^—- »— — -1—1— ; >■ . I - ■' -Л-'р — — -

_____ Частота щения ад — вра-юля /силие в цепи |—;— Н-Н-цЫ

Рис. 5.Влияние изменения скорости вращения электромагнитного поля статора АД на динамическую нагруженность тяговой цепи скребкового конвейера

щения электромагнитного поля статора, от которой зависит величина электромагнитного момента двигателя.

Основанием к необходимости исследования влияния изменения положения корпуса электродвигателя на величину электромагнитного момента явились результаты теоретических и экспериментальных исследований режимов работы скребковых конвейеров, где было установлено, что для существенного изменения внутреннего динамического состояния скребкового конвейера (уровня динамической нагруженности скребковой цепи) необходимы малые, сравнимые по величине с величиной относительного скольжения двигателя изменения скорости тока статора (рис.5).

В этой связи производилась оценка влияния изменения положения корпуса АД на величину развиваемого им электромагнитного момента. Были получены уравнения системы "трансформатор + кабель + АД + АД" в координатной системе а,р с учетом возможных пространственных вибрационных вращений корпусов двигателей.

На рис.6 приведены результаты моделирования работы АД при изменяющейся жесткости опор при учете явлений, связанных с вибрационным перемещением корпуса. Анализ этих данных показывает, что существует граничное значение жесткостей, при которых неучет этих явлений приводит к значительной погрешности при определении значений электромагнитного момента.'

В целом в этом разделе работы установлено, что при рассмотрении динамических процессов пуска и стопорения в двухдвигательном приводе ГМ недопустимо использование моделей одиночных электромеханических преобразователей (асинхронных электродвигателей), получена интегрированная математическая модель электромеханического преобразо-

Жестк. опор

Время

Рис. б.Влияние жескости опор ГМ на величину и характер изменения электромагнитного момента АД

вания энергии "трансформатор + кабель + АД + АД", установлены связи индуктивностей главных цепей намагничивания электрических машин с величинами и положениями векторов потокосцеплений статора и ротора, установлено, что построение и исследование интегрированной математической модели системы "трансформатор + кабель + АД + АД" возможно вести без учета методической погрешности, связанной с изменением индуктивных параметров системы во времени, выявлено экспериментальным и аналитическим путем, что для существенного изменения внутреннего динамического состояния горной машины необходимы малые, сравнимые с величиной относительного скольжения изменения скорости тока статора исполнительного электродвигателя, установлено, что при рассмотрении динамических явлений в приводах горных машин, имеющих потенциальную возможность пространственного изменения положения корпусов асинхронных двигателей вокруг оси ротора необходимо учитывать влияние изменения этого положения на развиваемый двигателями электромагнитный момент.

3.МОДЕЛИ МЕХАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ГОРНЫХ МАШИН

В работе установлено, что для рассматриваемых режимов пуска и стопорения ГМ нельзя использовать приведенные расчетные схемы для оценки динамического состояния электромеханических систем горных машин из-за существования моментов времени стремления мгновенного значения реального передаточного числа к нулю или бесконечности и возникающей при этом неконтролируемой погрешности расчетов.

Естественным путем решения констатированной проблемы с целью уточнения эксплуатационной нагру-женности деталей горных машин явилось использование модели-, механического передаточного

устройства как совокупности вращаю- Рис- 7' ХаРактеР погруженности валов редукторов

, „ я режущих частей комбайна 1ГШ68 при последователь-щихся масс зубча- . г

ном во времени включении овигателеи и пуске без на-

тых колес и валов.

грузки

Время. 1 деление-0.1с

Р13 Р11

Подобный подход привел к построению аналитических конструкций, описывающих перемещения зубчатых колес и валопроводов МПУ в виде системы дифференциальных связей высокого порядка. Для возможной расчетной схемы (например, выемочного комбайна 1ГИ168) только для правого редуктора режущей части вместе с исполнительным органом для совокупности координат - угловая скорость вращения, угол поворота зубчатого колеса, реакция в зацеплении, момент вращения, действующий на колесо, порядок системы дифференциальных уравнений составляет 49.

На рис.7 приведены графические результаты моделирования процессов пуска приводов режущей части выемочного комбайна 1ГШ68 при последовательном (во времени) включении электродвигателей, из которых видно существенное различие в характере нагружения валопроводов левого и правого редукторов. На графиках состояние каждого вала оценивается формой не линии, как обычно принято при построении зависимостей в двухмерном пространстве, а формой ленты. Каждому валу соответствует своя лента, которые расположены на графике в порядке, определяемом кинематической схемой редуктора. Ленты, соответствующие правому и левому редукторам сгруппированы в отдельные блоки.

В целом результаты этого раздела сводятся к следующему: установлено, что нормативные документы по расчету деталей трансмиссий на прочность и долговечность не отражают реальных условий нагружения очистных комбайнов в процессе эксплуатации; показано, что при исследовании предельных режимов работы приводов горных машин недопустимо использовать приведенные расчетные схемы для оценки динамического состояния электромеханических систем этих машин, предложено уточнение эксплуатационной нагруженности деталей горных машин в режимах пуска и стопорения проводить на основе использования модели механического передаточного устройства как совокупности вращающихся масс зубчатых колес и валов.

^ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕНАБЛЮДАЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННЫХ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В одной из работ А.В.Докукина, Ю.Д.Красникова, З.Я.Хургина говорится: "...для динамических расчетов привода должны быть определены электромагнитные параметры двигателя, которые обычно не содержатся в промышленных каталогах".

В фундаментальной работе И.П.Копылова по электромеханическим преобразователям энергии определено, что "...параметры электрических машин - это коэффициенты перед независимыми переменными в урав-

нениях, описывающих электромеханическое. преобразование энергии. ...Параметрами электрических машин являются активные и индуктивные сопротивления и момент инерции".

Стремление знать параметры АД с наибольшей точностью определило, несколько путей их получения. В этой связи в работе приводится анализ основных путей определения параметров электродвигателей - расчетного и расчетно-экспериментального.

В результате анализа установлено, что проблема определения параметров АД, требуемых для динамических расчетов электромеханических систем приводов горных машин, не решена и далее были разработаны алгоритмы процедур определения параметров асинхронных электродвигателей на основе инструментальных средств численных методов и теории оптимального управления .

Была рассмотрена задача управления состоянием асинхронного электродвигателя путем изменения активного сопротивления ротора с позиций возможности определения его параметров. В качестве цели управления было требование минимизации квадратичного функционала с индикатрисой (М3-М)2, т.е. чтобы в процессе управления в любой момент времени текущее значение электромагнитного момента двигателя было близко к заданному. Можно считать, что Л/3=М3(со)-заданное значение электромагнитного момента. При этом, если полагать, что М3 - это значение электромагнитного момента АД, соответствующее тому моменту, который развивает двигатель в процессе определения его параметров (испытаний), то значение активного сопротивления ротора (и индуктивности рассеяния ротора), обеспечивающее выполнение минимума функционала J, будет тем, которое требуется определить, т.е. искомым. Варианты решений были получены на основе достаточных условий абсолютного минимума В.Ф.Кротова в виде связей (Vv, М кроме /,—»0, М-»0 связи используются без lim)

Rr - lim

f 2M(d „ - _ _ f Зр(&м- /хв) уГ

¡->о{ ЗРЯ

Rr = lim лг-> о

2 М

Решение задачи в динамической постановке об обеспечении минимума записанного выше функционала при наличии дифференциальных связей, описывающих состояние АД методами классического вариационного исчисления дает следующее выражение:

'¿Ут I \ 2) Использование найденных вы-—д-Ч'л/ \ян-рь^г] ражений для определения зна-

Я

2м • чений активных сопротивлений

цепи ротора АД предполагает наличие информации о его электромагнитном моменте, потокосцеплении ротора, скорости вращения ротора и пр., т.е. использование полученных аналитических конструкций возможно после выполнения предварительного этапа определения значений этих величин. В связи с этим были разработаны средства их определения на основе использования методов конечно-разностной аппроксимации функций.

В итоге была получена рабочая система линейных алгебраических уравнений относительно активного и индуктивного сопротивлений ротора АД.

г \

' Ч^-Хи«

+ /г

-/»+-—;-+ Рй14>

1-ю

\ г

—

+ Ьг

1-т

---+ Р*1]а

Ь ¡V

Ьт

Проведенные вычислительн ые эксперименты позволили сделать вывод о существовании принципиаль

.ной возможности получения любой информации о состоянии и параметрах АД на основе информации, содержащейся в токах и напряжениях статора двигателя в режиме пуска (А.с.№1468211).

Возможно исследование изменений потокосцеплений статора и ротора, токов ротора, получение зависимостей изменения электромагнитного момента и скорости вращения ротора во времени, получение динамической механической характеристики и т.п.

Главным является возможность получения зависимостей изменения параметров ротора от скорости его вращения/Наличие их дополнительно позволяет расчетным путем определить форму статической механической характеристики, а также форму электромеханической характеристики.

Дальнейшая обработка этих данных позволяет установить такие показатели качества АД, как максимальный и пусковой электромагнитные моменты, пусковой ток, величину критического скольжения и пр.

В целом результаты этой главы работы сводятся к следующему: установлено, что характеристики нагруженности и качества АД, находящихся в динамических режимах и требуемые для оценки влияния АД на механическое передаточное устройство (трансмиссию), могут быть-получены при известных параметрах АД во всех возможных диапазонах изменения скорости вращения ротора; выявлено, что определение значений активных сопротивлений цепи ротора предполагает наличие инфор-

мации об электромагнитном моменте АД, потокосцеплении ротора, скорости вращения ротора и т.п. предполагает многоэтапную процедуру определения значений этих величин; определены расчетные формулы для вычисления составляющих потокосцеплений статора АД; определен алгоритм вычисления индуктивности цепи намагничивания АД; определена система линейных алгебраических уравнений для определения активного и индуктивного сопротивлений ротора; установлено впервые, что для получения информации о параметрах АД во всем возможном диапазоне их изменения (при изменении скорости вращения ротора от нуля до номинального значения) достаточно иметь информацию о мгновенных значениях токов и напряжений в обмотках статора в режиме пуска двигателя без нагрузки.

5.0ПРЕДЕЛЕНИЕ НАБЛЮДАЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В этой главе были определены методы и средства . идентификации следующих необходимых параметров АД: параметры кривой намагничивания двигателя; активное сопротивления обмотки статора (различными методами: прямом, на основе использования САУ по отклонению, оптимизационным,

рис.8); момент инерции „ 0 „ к ' ' Рис. 8. Поверхность значении активного со-

ротора. противления обмотки статора при поиске Лу

С целью проверки ра- оптимизационным методом ботоспособности разработанной теории определения параметров асинхронных двигателей на основе информации, содержащейся в формах и значениях токов и напряжений статора на экспериментальной базе НИИ НПО "Кузбассэлектромотор" (НИИ взрывозащищенных электрических машин, г.Кемерово) был создан опытно-промышленный образец компьютеризированного комплекса для определения параметров асинхронных электродвигателей при проведении автоматизированных испытаний асинхронных короткозамкнутых электродвигателей (АД) экспресс-методом.

К5,01

В целом результаты этой главы сводятся к следующему: определены процедуры получения значений параметров (А,В) кривой намагничивания; установлено, что погрешности вычисления составляющих потокос-цепления статора по координатным осям содержат переменные составляющие, причиной появления которых является погрешность задания при вычислениях величины активного сопротивления обмотки статора АД; определено выражение, реализующее прямой метод вычисления величины активного сопротивления обмотки статора АД с использованием данных о значениях реальных токов и напряжений, получаемых из режима пуска АД прямым включением в сеть без нагрузки; установлено, что возможными режимами работы АД для определения значения активного сопротивления обмотки статора являются: двигательный, режим холостого хода и режим рекуперативного торможения; предложена последовательность операций по уточнению момента инерции АД из режима пуска без нагрузки; подтверждены результатами опытно-промышленной эксплуатации компьютеризированного комплекса для определения параметров асинхронных электродвигателей положения теории определения параметров и характеристик АД на основе информации, содержащейся в формах и значениях токов и напряжений двигателя во время его пуска.

6.УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ГОРНЫХ

МАШИН

В этой главе сформулирована общая2 задача частотного управления состоянием АД как задача минимизации некоторого функционала, записанного в интегральной форме и выражающего цель управления -

^ = '"/(!¡''Vг>и)■ На основе достаточных условий абсо-о

лютного минимума В.Ф.Кротова был проведен синтез аналитической конструкции управляющего устройства

2 по В.Г.Болтянскому

как связи относительной частоты тока статора (а) со скоростью вращения ротора (ар), параметрами двигателя и характеристикой цели управления (/®).

Р. 2 1=1 д XI

Г(х,и) = 0,

Анализ классических вариационных методов оптимизации позволил выявить дополнительные к существующим условия оптимальности (Б. 2), которые определяют эффективные алгоритмы построения аналитических конструкций управляющих устройств приводами гор-

.1=\дх1 Мдид

где к,1,р,ц • любые целые в диапазоне (1,п), (1,т) соответственно ных машин.

Наличие Б. 2 означает, что для поиска аналитических конструкций управляющих устройств (УУ) возможно использование произвольных совокупностей произведений частных производных от индикатрисы функционала по фазовым координатам на правые части уравнений движения.

Из этого следует, что возможно построение множества аналитических конструкций управляющих устройств.

Получаемые аналитические конструкции оптимальных регуляторов имеют один недостаток - строго детерминированную связь между управляющим воздействием и параметрами состояния горной машины. Такие связи не всегда могут быть физически реализованы в приводах горных машин из-за сложностей оснащения АД, работающего в специфических условиях, датчиками состояния и другим причинам. В этой связи была сформулирована проблема поиска возможностей построения таких управляющих конструкций, которые могут быть физически реализованы именно в приводах горных машин.

Было установлено, что в области рабочих скоростей с достаточной степенью точности возможно аппроксимировать идеальные оптимальные связи линейной зависимостью (Б. 3), причем к -сопз1 и находится из условия /=О, а=1, ар=арн - начальному относительному значению угловой скорости вращения ротора при частоте тока в статоре, равной номинальной.

Главным достоинством этого выражения является то, что его можно реализовать точно. Это можно выполнить путем задания определяемого количества зубцов или отверстий (ЛГа) на вращающемся элементе дискретного датчика скорости по формуле:

Е 3

а = к а

60 /„кпек,

4} - 5И)

кр = ц^ 1/ б-ас

60 Г „кпс

,где /н - номинальная частота сети, Гц; кпс - коэф-. фициент пересчетной схемы преобразователя частоты; кр - коэффициент кратности, который определяется следующим образом:

^ ,Ш0 -выделяет целую часть выражения; /гас0 - выделяет дробную часть выражения; п - синхронное число оборотов АД, об/мин; 5„ - номинальное скольжение. Например, при /и =50 Гц; кпс =6, кр =4, п =1500 об/мин; 5„ =0.02, значение А/3=49.

Использование Б. 3 привлекательно простотой реализации, однако следует учесть, что если при этом изменять динамическую составляющую амплитуды напряжения АД в соответствии с частотой, то возникнет потеря устойчивости двигателя, который в зависимости от величины коэффициента к может или остановиться, или пойти "вразнос". Это объяснимо, поскольку в этом варианте система оказывается замкнутой положительной обратной связью по скорости.

С целью проверки практической работоспособности квазиоптимального варианта управления АД были выполнены экспериментальные работы по управлению динамическим состоянием горных скребковых конвейеров при помощи электропривода на базе преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель. Исследовались одно - и двухдвигатель-ный (с двигателями по концам) варианты электроприводов. Мощность двигателей - 32 кВт. Во всех режимах работы, после первоначального

пуска и замыкания системы обратной связью по Р. 3 автоколебательные процессы в системе ПЧ-АД не наблюдались. Глубокие изменения частот вращения двигателей происходили либо в связи с увеличением усилия в тяговом органе, либо по технологическим причинам.

Исследовалось поведение АД при резком росте нагрузки на валу двигателя (в предельном режиме работы), напри-

-300-850-200-150-100 -50 0 Момент,Нм

50 100 150 гоо

Рис. 9. Работа АД по при встрече с твердым включением (переход на новый уровень статической нагрузки)

мер, при встрече исполнительного органа горной машины с твердым включением, при заклинивании тягового органа скребкового конвейера и т.п.

В этих случаях происходит резкое снижение скорости вращения ротора и, по Б. 3, частоты тока статора. Резкое уменьшение частоты тока статора двигатель "расценивает" как перевод его в режим электродинамического торможения и в начальный период времени формирует тормозной электромагнитный момент (Рис. 9). Это явление положительное, поскольку тем самым уменьшается количество энергии, направляемое в механическое передаточное устройство при стопорении. В дальнейшем АД может обеспечивать устойчивую работу с новым установившемся моментом сопротивления на валу. Результаты реализации квазиоптимального соотношения на практике приведены на осциллограмме (Рис. 10), которая иллюстрирует предельный режим стопорения АД привода скребкового конвейера СП-63.

В целом основные результаты этой главы сводятся к следующему: получено общее решение задачи управления состоянием асинхронных электродвигателей; выявлено, что для поиска аналитических конструкций управляющих устройств электромеханическими системами горных машин возможно использование произвольных совокупностей произведений частных производных от индикатрис целевых. функционалов по фазовым координатам на правые части уравнений движения; доказана возможность построения множества аналитических конструкций управляющих устройств; установлен вид аналитической конструкции квазиоптимального управления приводом горных машин на базе ПЧ-АД с поло-жцтельной обратной связью по скорости АД, который обеспечивает улучшение внутреннего динамического состояния электромеханических систем горных машин, устранение автоколебательных режимов в системе ПЧ-АД, управление технологической скоростью горной машины по каналу напряжения, защиту привода .горной машины от динамических перегрузок в предельных режимах работы путем автоматического пере-

рос. 10. Электродинамическое торможение АД КОФ32-4 в приводе скребкового конвейера

вода АД в режим электродинамического стопорения; определен характер изменения активного сопротивления.ротора АД в функции скорости вращения ротора двигателя, обеспечивающий снижение пульсаций электромагнитного момента, что позволяет сделать заключение о возможности проведения параметрической оптимизации используемых в приводах ГМ асинхронных электродвигателей. В этой связи рассмотрен вопрос определения рациональных значений активного сопротивления цепи ротора и предложен метод выбора рациональных значений этого параметра.

7.ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПРИВОДОВ ГОРНЫХ МАШИН В ПРЕДЕЛЬНЫХ

РЕЖИМАХ РАБОТЫ

В этой главе исследовались характеристики нагруженности силовых электрических элементов системы, а также механических передаточных устройств. Основой исследования явились полученные ранее математические модели электромеханического преобразования энергии в двухдви-гательном приводе и передачи энергии в механическом передаточном устройстве. На примере одного из наиболее распространенных для условий Кузбасса выемочного комбайна 1ГШ68 выполнены исследования состояния электрических компонентов разветвленной электромеханической системы комбайна с учетом присущих ему особенностей предельных режимов пуска и стопорения (изменение значений электромагнитных параметров двигателей, пространственное изменение положения корпусов статоров двигателей, взаимовлияние электродвигателей друг на друга при обмене энергией в переходных режимах через электрически соединенные обмотки статоров и механически соединенные роторы, разница параметров электродвигателей и характер их изменения в процессе пуска).

Результаты исследований позволили качественно и количественно охарактеризовать процессы обмена энергией как между собственно двигателями, так и питающей сетью. Исследования динамической нагружен-ности валов и зубчатых колес редукторов режущих частей позволили сделать заключение о решающем влиянии процессов начального и повторного зазорообразования на уровень динамической нагруженности механической системы привода, а также о фильтрующих способностях отдельных элементов этой системы. Реальные варианты пуска (с последовательным во времени включением электродвигателей) характеризуются значительным временем существования зазоров в трансмиссиях правого и левого приводов. Явление повторного зазорообразования в большей степени проявляется в зубчатых колесах, находящихся ближе к , электродвигателям. Все полученные в результате моделирования дан-

ные свидетельствуют о последовательном подавлении высокочастотных составляющих нагрузки при передаче энергии от двигателей к исполнительным органам. Естественно, что при этом происходит рассеяние энергии колебаний в механических элементах привода.

Рассмотрены процессы динамического нагружения электрической части системы привода резания комбайна 1ГШ68 при последовательном включении двигателей и при питании через протяженную кабельную сеть

различной длины (например, Рис. 11), работа системы с двигателями, отличающимися по параметрам, а также процессы стопорения.

При исследовании режимов пуска и торможения приводов горных машин на примере двухдвигательного привода резания выемочного комбайна: установлен характер изменения напряжений на двигателях, трансформаторе, питающем кабеле (включение привода при последовательном и при одновременном пуске двигателей характеризуется качественно одинаково); исследован процесс подключении к сети второго двигателя, характеризующийся появлением импульсного перенапряжения на силовом питающем трансформаторе, снижением напряжения на двигателях, увеличением потери напряжения в кабельной сети; определены количественные показатели изменений напряжений; исследованы процессы обмена энергией как между собственно двигателями, так и питающей сетью. (Этими процессами, а также влиянием механической части привода, объясняются возникающие колебания в электромеханической системе. При последовательном во времени пуске двигатели могут находиться как в двигательном, так и в генераторном режимах работы. Периоды нахождения двигателей в генераторном или двигательном режиме чередуются); установлен характер изменения усилий в зубчатых зацеплениях и моментов в валах приводов резания (разница в уровне 'нагруженности левого и правого редукторов при одновременном пуске двигателей выражена в меньшей мере, чем при последовательном. Ниже уровни максимальных пиковых нагрузок по сравнению со средними, меньше разница между

Рис. П. Поверхность значений токов 1-го двигателя. Осп; 2-ток,А; Х-время (1 деление - 0.08 с); У-длина питающего кабеля (диапазон 200+800 м)

моментами сопротивления на исполнительных органах); установлено, что наиболее динамически нагруженными в процессе пуска являются начальные (от двигателей) валы редукторов; исследованы процессы возникновения зазоров в переходных режимах пуска и стопорения приводов; установлено, что решающее влияние на уровень динамической нагру-женности механической системы привода оказывают процессы начального и повторного зазорообразования, а также фильтрующие способности отдельных элементов этой системы; выявлено, что процессы повторного зазорообразования в большей степени проявляются в зубчатых колесах, находящихся ближе к электродвигателям; исследованы характеристики переходных процессов при разной длине питающего кабеля; установлено. что величина первого пика напряжения трансформатора из-за подключения вращающегося двигателя практически не зависит от длины питающего кабеля, установлено, что сумма первых пиков напряжений на статоре двигателей и пика падения напряжения на кабеле в этом режиме постоянна. Величина первого пика тока трансформатора из-за подключения вращающегося двигателя также практически не зависит от длины питающего кабеля (сумма первых пиков токов -двигателей в этом режиме постоянна); получено, что улучшение динамической нагруженности привода резания в режиме пуска можно произвести подбором двигателей; установлено, что процессы зазорообразования не оказывают решающего влияния на характер формирования динамического состояния привода в режиме стопорения при встрече исполнительного органа с твердым включением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе теоретического обобщения существующих и разработки новых научных положений, базирующихся на комплексном учете явлений, влияющих на динамическую нагружен-ность горных машин решена научная проблема разработки основ теории динамических процессов электромеханических систем горных машин для режимов пуска или стопорения, имеющая важное значение при решении вопросов исследования и эксплуатации горных машин.

Проведенные исследования позволяю сформулировать следующие основные результаты, выводы и рекомендации:

1. Установлено, что при рассмотрении динамических процессов пуска и стопорения в двухдвигательном приводе ГМ недопустимо использование моделей одиночных электромеханических преобразователей

энергии (асинхронных электродвигателей). Для учета взаимовлияния двигателей друг на друга, изменения их параметров, а также влияния параметров, кабельной сети и трансформатора на характеристики электродвигателей необходимо создание интегрированной математической модели электрических компонентов приводов, учитывающей их структуру и особенности режимов работы.

2. Разработана интегрированная математическая модель передачи и электромеханического преобразования энергии для двухдвигательных приводов горных машин, представляющая собой систему нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений переменной структуры и дополненную найденными алгебраическими связями параметров электрических машин с параметрами, характеризующими режим работы системы.

3. Установлено экспериментально и теоретически, что для существенного изменения внутреннего динамического состояния горной машины (например, уровня динамической нагруженное™ тяговой цепи скребкового конвейера) необходимы малые, сравнимые с величиной относительного скольжения изменения частоты тока статора исполнительного электродвигателя, влияющие на величину развиваемого электромагнитного момента.

... Малые угловые (вибрационные) перемещения корпусов электродвигателей вследствие конечной жесткости опор по результату действия эквивалентны изменению частоты тока статора исполнительного электродвигателя.

При рассмотрении динамических явлений в приводах горных машин, имеющих потенциальную возможность пространственного изменения положения корпусов асинхронных двигателей вокруг оси ротора необходимо учитывать влияние изменения этого положения на развиваемый двигателями электромагнитный момент на основе использования разработанных моделей.

4. Предложено уточнение эксплуатационной нагруженности деталей МПУ горных машин в режимах пуска и стопорения производить на основе использование моделей механического передаточного устройства как совокупности вращающихся масс зубчатых колес и валов. Подобный подход -приводит к построению аналитических конструкций, описывающих перемещения зубчатых колес и валопроводов МПУ в виде системы дифференциальных связей высокого порядка (например для приводов резания комбайна 1ГШ68 порядок - 90). Результаты использования такого типа моделей дают возможность оценить состояние и влияние пара-

метров каждого элемента, участвующего в процессе передачи и преобразования энергии от валов электродвигателей к исполнительным органам.

5. Установлено, что получение информации о параметрах и характеристиках асинхронных электродвигателей с короткозамкнутъш ротором во всем возможном диапазоне их изменения (при изменении скорости вращения ротора от нуля до области номинального значения) возможно на основе данных о мгновенных значениях токов и напряжений в обмотках статора в режиме пуска двигателя без нагрузки.

6. Результаты опытно-промышленной эксплуатации созданного компьютеризированного комплекса для определения параметров асинхронных электродвигателей (экспресс-испытаний) подтвердили положения разработанной теории определения параметров и характеристик АД на основе информации, содержащейся в формах и значениях токов и напряжений двигателя во время его пуска.

7. Можно рекомендовать, учитывая режим работы АД в процессе испытаний, высокую производительность испытаний, а также конструктивную простоту испытательного комплекса (время испытания - 1.5+2 мин.), разработанную систему определения параметров и характеристик асинхронных электродвигателей для оценки состояния каждого двигателя: при серийном производстве, при ремонтах, при комплектации многодвигательных приводов горных машин, в проектных исследованиях (особенно в настоящее время, когда производство двигателей всех габаритов для горных машин налаживается в России ("Кузбассэлектромотор", г. Кемерово), например, ДКВ 5-250 для привода рабочего механизма выемочного комбайна, ДКВ 110/55-4/8 для привода исполнительных органов проходческих комбайнов).

8. Найдено общее решение задачи синтеза оптимального частотного управления состоянием асинхронных электродвигателей в форме оптимальной связи частоты тока статора, частоты вращения ротора, параметров двигателя и цели управления, позволяющее при конкретизации цели управления получить конкретную аналитическую конструкцию управляющего устройства.

9. Установлены пути поиска аналитических конструкций управляющих устройств электромеханическими системами горных машин на основе выявленных дополнительных оптимизационных связей классического вариационного исчисления. При этом установлена практическая возможность построения множества различных по структуре ана-

литических конструкций управляющих устройств, обеспечивающих одинаковое качество управления.

10. Найден вариант квазиоптимального управления состоянием приводов горных машин на базе "преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель"(ПЧ-АД), который обеспечивает: улучшение внутреннего динамического состояния электромеханических систем горных машин;- устранение автоколебательных режимов в системе ПЧ-АД; управление технологической скоростью горной "машины по каналу напряжения; защиту привода горной машины от динамических перегрузок в предельных режимах работы путем автоматического перевода АД в режим электрЪдинамического торможения.

11. Выполнены исследования динамической нагруженности элементов приводов ГМ (на примере режущей части выемочного комбайна 1ГШ68) на основе использования разработанных в работе интегрированных математических моделей и методов. При этом выявлены закономерности и установлен характер изменения напряжений на двигателях, трансформаторе, питающем кабеле. Определены количественные показатели изменения напряжений (р.7.2). Даны характеристики процессов обмена энергией как между собственно двигателями, так и питающей сетью. Установлен характер изменения усилий в зубчатых зацеплениях и моментов в валах приводов резания в предельных режимах работы.

12. Исследованы процессы возникновения зазоров в переходных режимах пуска и стопорения приводов. Установлено, что на уровень динамической нагруженности механической системы привода решающее влияние оказывают процессы начального и повторного зазорообразова-ния, а также фильтрующие способности отдельных элементов этой системы. Процессы повторного зазорообразования в большей степени проявляются в зубчатых колесах, находящихся ближе к электродвигателям.

13. Исследованы характеристики предельных режимов ГМ при разной длине питающегб кабеля. Установлено, что величина первого пика напряжения трансформатора из-за подключения вращающегося двигателя практически не зависит от длины питающего кабеля. Это означает, что сумма первых пиков напряжений на статорах двигателей и пика падения напряжения на кабеле в этом режиме постоянна. Величина первого пика тока трансформатора из-за подключения вращающегося двигателя также практически не зависит от длины питающего кабеля (сумма первых пиков токов двигателей в этом режиме постоянна).

14. Найдено, что улучшение динамической нагруженности двухдви-гательных приводов в режиме пуска можно произвести подбором двигателей для каждого редуктора (р.7.6).

15. Исследование динамических процессов электромеханических систем горных машин, заключающееся в решении и использовании результатов решения систем нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений высокого порядка (например, свыше 120 для выемочных комбайнов), базируется на инструментальной основе в виде комплекса технических и программных средств (Hardware&Software) вычислительной техники. Индекс производительности IBM - совместимой ПЭВМ с сопроцессором при оценке по Syslnfo из набора Norton Utilities 7.0 должен быть не ниже 130.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Ещин Е.К. Теория предельных режимов работы горных машин. Томск, Том. ун-т, 1995. -232 с.

2. Гаврилов П.Д., Ещин Е.К. Частотное управление асинхронным электродвигателем //Электротехника. -1978. -N7. -С.20-23.

3. Гаврилов П.Д., Ещин Е.К. Управление частотно - регулируемым асинхронным электроприводом машин с пульсирующей нагрузкой //Электротехника.-1976.-N2.-С.58-59.

4. Ещин Е.К., Советов В.Л., Новоселов В.В. Выбор рациональных параметров асинхронных двигателей горных машин //Электротехника. -1984. -N1. -С.53-55.

5. Ещин Е.К., Иванов В.Л., Алешин Д.А. Автоматизация экспресс-испытаний асинхронных электродвигателей //Электротехника. -1995. -N5.-CJ9-41.

6. Гаврилов П.Д., Ещин Е.К. Задача оптимального частотного управления двухдвигательным асинхронным электроприводом. //Изв.вузов. Электромеханика. -1979. -N7, -С.615-620.

7. Гаврилов П.Д., Ещин Е.К. Общая задача оптимизации частотного управления асинхронным электродвигателем //Изв.вузов. Электромеханика. -1979. -N6. -С.541-545.

8. Гаврилов П.Д., Ещин Е,К. Выбор управления асинхронными электродвигателями //Изв.вузов.Электромеханика. -1975. -Nl. -С.50-55.

9. Оптимальное управление частотно-управляемым приводом по минимуму потерь при произвольной нагрузке /П.Д.Гаврилов, Е.К.Ещин, В.А.Грасс и др. //Изв.вузов.Электромеханика. -1973. -N9. -С.1004-1008.

,1.0. Гаврилов П.Д., Ещин Е.К. Выбор управления асинхронным электродвигателем с использованием критерия "сложность". //Изв.вузов. Электромеханика. -1974. -N7. -С.748-751.

. ... 11. Гаврилов П.Д., Ещин Е.К. Снижение уровня динамической на-груженрости скребкового конвейера при помощи асинхронного электропривода. //Изв.вузов.Горный журнал. -1978. -N11. -С.99-105.

. 12. Ещин Е.К-., Янцен В.И. Расчет режимов экстренного нагружения асинхронных электродвигателей горных машин //Изв.вузов. Горный журнал, г! 981. -N7. -С. 102-106,

... ,13. Гаврилов П.Д., Ещин Е.К. Управление динамикой скребкового конвейера с помощью частотноуправляемого электропривода //Физ,-технич.проблемы разраб.полезн.ископаемых.. -1980. -N6. -С.72-77.

14.'Ещин Е.К.,Алешин Д.А.Дынкевич М.А.,Новоселов В.В. Расчет электромагнитных параметров асинхронных двигателей по результатам статических испытаний //Алгоритмы и программы. -1987. -N3. -С.54.

15. А.с.782115 СССР, Н 02 Р 7/42. Устройство для регулирования частоты скольжения асинхронного электродвигателя /П.Д.Гаврилов, Е.К.Ещин, В.А.Грасс и др..(СССР). -N2692727; Заявлено 01.12.78; Опубл. 23.11.80, Бюл.ЖЗ

16. А.с.899884 СССР, Е 21 С 1/00. Способ автоматического регулирования режимов бурения шарошечных станков /П.Д.Гаврилов, Е.К.Ещин, В.А.Грасс, В.ИЛнцен (СССР). -N2500516; Заявлено 23.06.77; Опубл. 23.01.82, Бюл.Ю.

17. А.с.750175 СССР, Р 16 Б 15/02. Способ гашения колебаний сил упругости в приводе /П.Д.Гаврилов, Е.К.Ещин, В.А.Грасс, В.И.Янцен (СССР). -N2533377; Заявлено 18.10.77; Опубл. 23.07.80, Бюл№7.

18. А.с. 1468211 СССР, С 01 И 31/34. Устройство для определения параметров асинхронных электродвигателей /Е.К.Ещин, В.Л.Иванов, В.Г.Власов и др. (СССР). -N4184538; Заявлено 26.01.87; Опубл. 15.11.88, (Для служебного пользования).

19.А.С.953293 СССР, Р 16 Б 15/02. Способ гашения колебаний сил упругости в приводе'/Е.К.Ещин, В.И.Янцен (СССР). -N3241969; Заявлено 20.01.81; Опубл. 23.08.2, Бюл.Ю 1.

20. А.с.1802347 СССР, в 01 И. 31/34, Устройство для определения параметров асинхронного электродвигателя /Е.К.Ещин, Д.А.Алешин, В.Л.Иванов (СССР), -N4928795; Заявлено 18.04.91; Опубл. 15.03.93, БюлЛЧО.

21. Определение возможных пределов повышения мощностей двигателей угольных комбайнов /П.Д.Гаврилов, Е.К.Ещин, Г.И.Ивонин и др.. //ЦНИЭИУголь.Инф.карта N335(1972) серия 7. -М, 1972.

22. Ещин Е.К., Янцен В.И. Расчет режимов экстренного стопорения электроприводов, содержащих упругие звенья //Библиографич.указатель ВИНИТИ "Депонир.рукописи". -М., 1980. Вып.10-108. -С.77.

23. Ещин Е.К. Построение аналитических конструкций управляющих устройств электрическими машинами :Библиографич. указатель ВИНИТИ .-Депонир.научн.работы. -М,1987. -21 с.

24. Результаты экспериментальных исследований частотно-управляемого электропривода /П.Д.Гаврилов, Ещин Е.К., В.А.Грасс и др.//Угольное машиностроение /ЦНИЭИуголь, реф. карты. -М, 1977

25. Ещин Е.К., Тынкевич М.А., Новоселов В.В. Определение параметров асинхронных электродвигателей в автоматизированной системе испытаний //Автоматиз. и электрифик. горн, предприятий в условиях АСУ.Сб.науч.тр. /Кузбас. политехн.ин-т. -Кемерово, 1985. С.62-66.

26. Ещин Е.К., Янцен В.И. Возможности упрощения систем управления электроприводами //Управление электромеханическими объектами в горной промышленности :Сб. науч. тр. /Кузбас. политехи, ин-т. -Кемерово, 1980. С.43-48.

27. Ещин Е.К., Янцен В.И., Кузичев Ю.Г., Никешин Б.С. О приводе поворота экскаватора-драглайна ЗШ-10/70 //Управление электромеханическими объектами в горной промышленности :Сб.науч.тр. /Кузбас.политехн.ин-т. -Кемерово, 1982. С.124-129.

28. Ещин Е.К. Управление фазовыми координатами электроприводов с использованием модели неуправляемого объекта //Управление электромеханическими объектами в горной промышлешюсти:Сб.науч.тр. /Кузбас.политехн.ин-т. -Кемерово, 1982. -С.112-118.

29. Ещин Е.К. Управляемый электропривод горных машин //Управление электромеханическими объектами в горной промышленности :Сб. науч. тр. /Кузбас. политехн.ин-т. -Кемерово, 1984. -С.78-81.

30. Ещин Е.К., Тынкевич М.А. Вычислительные методы определения активного сопротивления обмотки статора асинхронного электродвигателя //Информационно-математические модели горных предприятий^.науч.тр. /Кузбас.гос.техн.ун-т. -Кемерово, 1994.-С.40-43.

31. Частотно-управляемый электропривод горных машин с квазиоптимальными законами управления//П.Д.Гаврилов, Е.К.Ещин, Г:И.Ивонин и др./Проблемы тиристорного электропривода: Тез.докл.Ш Всесоюзн. конф., Свердловск, 2-6 февраля 1974-Свердловск, 1974,

32. Частотное управление асинхронным эленктроприводом горных машин //П.Д.Гаврилов, Е.К.Ещин, В.А.Грасс и др./Автоматизация технологических процессов и промышленных установок: Тез.докл.Региональн. конф., Пермь, 10-12 октября 1977 -Пермь,1977. > г

33. Ещин Е.К., Алешин Д.А., Иванов Д.А. Автоматизированная система оценки качества асинхронных электродвигателей // Автоматизац. проектирования и производства в электромашиностроении /Тез.докл.Всесоюзн. научно-технич. конф., Суздаль, 9-13 октября -Владимир, 1989.

34- Ещин Е.К., Алешин Д.А. Оценка качества асинхронных электродвигателей //Повышение надежности и экономичности взрывозащи-щенного электрооборудования: Тез.докл.У1 научно-технич. конф., Кемерово, апрель -Кемерово, 1989.

35. Работы КузПИ в области конструирования тиристорныхпреоб-разоватслей скорости и исследования динамики горных машин // П Д Гаврилов,. Е.К.Ещин, Г.И.Ивонин и др./ Современное взрывозащи-щенное электрооборудование: Тез. докл. Всесоюзной научно-технич. конф., Донецк ,1975.

Подписано,в печать 15.03.96. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная №1 Печать офсетная. Печ.л. 2. Усл.печ.л. 1.8. Уч.-изд.л.1,6. Тираж 15О-экз. Заказ

Типография Кузбасского государственного технического университета, 650027, Кемерово, ул.Красноармейская, 115