автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Многомассовый электропривод механизма натяжения участка системы электроснабжения напольного транспортного средства

0046143У8 с—- " с=

Котенев Владимир Викторович

МНОГОМАССОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА НАТЯЖЕНИЯ УЧАСТКА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НАПОЛЬНОГО ТРАНСПОРТНОГО

СРЕДСТВА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 НОЯ 2010

Самара - 2010

004614398

Работа выполнена на кафедре Электроснабжение промышленных предприятий» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования -^Самарский государственный технический университет.3>.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Котенев Виктор Иванович

Официальные оплоненты: доктор технических наук, профессор,

Кузнецов Павел Константинович

кандидат технических наук, доцент, Масляницын Александр Петрович

Ведущая организация: ГО У ВПО « Самарский государственный

аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева» (г. Самара)

Защита диссертации состоится 7 декабря 2010 г. в 14 ч 00 мни на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университетз> (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, 18, корпус № 1, ауд. 4-

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.04; тел.: (846) 278-44-96, фшкс (846) 278-44-00; e-mail: krotkov@samgtu.ru .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета, а с авторефератом — на официальном сайте СамГТУ (http://www.saiiigtu.ru).

Автореферат разослан 3 ноября 2010 г.

Ученый секретарь дисссртационного совета Д 212.217.04,

кандидат технических наук, доцент

Кроткое Е. А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Напольные транспортные средства - это различного вида штабелеры, тележки, электрокары, автопогрузчики и т.д. используются для производства погрузочно-разгрузочных работ в складских и некоторых цеховых помещениях практически на всех больших и малых предприятиях нашей страны. Применение автомобильного газо-бензинового транспорта связано с неудовлетворительной экологией и его использование во многих случаях, особенно, на предприятиях пищевой промышленности проблематично.

Использование аккумуляторных напольных транспортных средств позволяет в некоторой степени улучшить экологические характеристики, но это связано с дополнительными эксплуатационными издержками обусловленными необходимостью зарядных устройств, вентилируемых помещений, дополнительного персонала, замены дорогостоящих аккумуляторных батарей, замены и утилизации электролита и т.д.

Перевод напольного транспорта на кабельное питание от электрической сети позволяет значительно улучшить экологию и уменьшить издержки на его обслуживание, но при этом из-за несовершенства электромеханической системы натяжения снижается надежность выполнения погрузочно-разгрузочных работ. В качестве систем натяжения нашли применение, в основном, транспортные средства с пружинным и асинхронным нерегулируемым приводом механизма натяжения, которые из-за несовершенства механизма натяжения и регулирования натяжения имеют низкую надежность по причине частых обрывов в системе электроснабжения.

Транспортные средства с регулируемым электроприводом постояшюго тока механизма натяжения и с улучшенными ресурсными характеристиками, характеризуются сравнительно невысокими динамическими характеристиками - повышенной колебательностью и невысокой точностью регулирования усилий натяжения и стрелы провиса питающего кабеля.

Поэтому разработка электромеханического оборудования с улучшенными динамическими характеристиками, позволяющими повысить надежность работы транспортных средств является важной народно-хозяйственной задачей. Особенно актуально применение транспортных средств с кабельным питанием от сети для предприятий малого и среднего бизнеса, где уменьшение издержек в логистике является одной из основных проблем.

Целью диссертационной работы является разработка, исследование и создание системы управления электроприводом натяжения участка системы электроснабжения напольных транспортных средств, обеспечивающей повышенную надежность за счет улучшения динамических характеристик

(плавности, колебательности, быстродействия и т.д.) электропривода.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- проведение анализа современного состояния электроприводов механизмов натяжения движущегося материала;

- математическое описание механизма натяжения питающего кабеля с учетом распределенности масс по длине подвесной линии питания;

- разработка и исследование математической модели механизма и построенных на ее основе структур систем управления электроприводов с обратными связями по различным переменным;

- разработка алгоритмов управления усилием натяжения, обеспечивающих необходимую величину стрелы провиса питающего кабеля;

- конструирование и экспериментальные исследования разработанных электроприводов натяжения.

Методы исследований. Использованы методы математического анализа, в частности приближенные методы решения задач математической физики, методы теории автоматического управления и теории автоматизированного электропривода, а также методы компьютерных и экспериментальных исследований.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием математического аппарата, вычислительных программных комплексов, обоснованностью принятых допущений и подтверждается совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных.

Научная новизна. В данной работе получены следующие основные результаты:

- математическая модель механизма натяжения, отличающаяся от аналогов повышенной точностью за счет учета распределенности масс подвесной линии и замены сосредоточешюй силы, приложенной по нормали к подвесной линии, эквивалентной распределенной силой;

- методика вычисления жесткости подвесной линии и методика определения жесткости промежуточной линии, отличающаяся учетом расположения точек подвеса на разных высотах;

- алгоритмы управления усилием натяжения и определение погрешности их воспроизведения по заданной погрешности стабилизации стрелы провиса;

- структуры систем управления электроприводом механизма натяжения, новизна которых подтверждена патентом на изобретение.

Практическая значимость работы:

- разработана оригинальная конструкция механизма натяжения, которая защищена патентом на изобретение;

- предложена методика аппроксимации подвесной линии питания как

объекта с распределенными параметрами эквивалентным объектом с сосредоточенными параметрами;

- разработаны схемы электроприводов механизма натяжения с различными связями по регулируемым переменным.

Реализация результатов работы. Напольные транспортные средства в виде электропогрузчиков типа ЭП 103 КО, ЭП 1616, ЕВ 717 и др., оснащенные системой электроснабжения с электроприводом механизма натяжения, разработанной на основе диссертационной работы, внедрены и на протяжении нескольких лет эксплуатируются на предприятиях г. Самары: ОАО ПКК «Весна», Г.К. «Аист», ЗАО «Капель» и др.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Математическая модель механизма натяжения питающего кабеля с учетом распределенности масс подвесной линии питания.

2. Методика определения жесткости кабельной линии системы электроснабжения напольного транспорта.

3. Алгоритмы задания усилия натяжения и методика определения погрешности их воспроизведения.

4. Результаты аналитических и экспериментальных исследований систем управления электроприводов натяжения с учетом упругих связей и систем управления с обратными связями по переменным состояния.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (г. Самара, 2007 г.)

- Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистров и аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2007 г.)

- Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технология, инновации» (Новосибирск, 2007 г., 2008 г.)

- Двенадцатой международной научной конференции по математическим методам в технике и технологиях (Саратов, 2008 г.)

- Одиннадцатой всероссийской научно-технической конференции по элек-тротехпологии, электроприводу и электрооборудованию предприятий (Уфа, 2009 г.)

- Международной научно-технической конференции студентов, магистров и аспирантов «Эпергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, 2009 г.)

- Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние и проблемы» (Оренбург, 2010 г.)

- Шестой международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управлениям (Томск, 2010 г.)

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 110 наименований. Работа изложена на 145 листах машинописного текста, содержит 113 рисунков, 7 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении показана актуальность темы работы, определены ее цель и основные задачи исследований, намечены методы их решения, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы, приведены результаты реализации работы, обоснована достоверность полученных результатов и выводов, представлены основпые положения, выносимые на защиту, приведены места апробации результатов и сведения об их публикации, описаны объем и структура диссертации.

В первой главе приведен анализ современного состояния электрического напольного транспорта и отмечены основные направления его развития. Показано, что электрический напольный транспорт в виде аккумуляторных электропогрузчиков, тележек, штабелеров и т.д. получил достаточно широкое распространение при выполнении погрузочно-разгрузочных работ в цехах и складских помещениях на предприятиях различных отраслей промышленности.

Напольные транспортные средства с питанием от электрической сети с пружинным и нерегулируемым асинхронным приводом механизма натяжения питающего кабеля во избежание его обрыва работают, в основном, с заниженной производительностью и при обслуживании помещений или площадок размером до 5000 м2. Применение транспортных средств с более совершенным направляющим устройством и регулируемым электроприводом постоянного тока механизма натяжения позволило повысить надежность и производительность агрегата, но его ресурсные характеристики из-за повышенной колебательности упругих сил натяжения остались неудовлетворительными.

Показано, что механизм натяжения питающего кабеля с подвесной линией питания при рассмотрении их как объекта управления упругими силами относится к нелинейным объектам с распределенными и переменными параметрами, что не позволило в полной мере воспользоваться известными математическими моделями следующих ученых: В.Д. Барышникова, Ю.А. Борцова, А.И. Бычкова, Б.Ш. Бургина, Б.В. Квартального, В.И. Клю-

чева, Г.Г. Соколовского. В.М. Шестакова, Ф.К. Фоттлера, В.И. Яковлева и ДР-

Отмечено, что построение системы управления электроприводом натяжения на базе математической модели, учитывающий распределенность масс подвесной линии питания и разновысотное расположение подвесных точек промежуточной линии, а также разработка алгоритмов управления усилием натяжения позволило значительно улучшить ресурсные характеристики транспортного средства.

Во второй главе рассматриваются электропогрузчики с различными вариантами конструкторного исполнения и математического описания механизмов натяжения совместно с подвесной линией питания, ориентированных на построение автоматизированного электропривода.

Общий вид электропогрузчиков с горизонтальным и вертикальным расположением осей кабельного барабана представлены на рис. 1, на которых показаны:

а) б)

Рис. 1. Электропогрузчики с горизонтальным (а) и вертикальным (б) кабельными барабанами.

1 - электропогрузчик; 2 — настенный щиток: 3 — несущий стальной трос: 4 — подвесной кабель; 5— каретка с токосъемником; 6— промежуточный кабель; 7 — направляющее устройство; 8 — барабан; 9 — электродвигатель; 10 — подставка. Бортовое электрооборудование размещено в аккумуляторном ящике.

Операторные уравнения механической части электропривода без подвесной линии питания:

Дш(р) = ~(ЛМ(р) - ДбД^(р));

ДЫр) = (Дко») - лед - ДВД); (1)

д Ук(р) = ЛбДыСр),

где J — момент инерции электропривода; М — момент электродвигателя; Яй — радиус барабана; а) — угловая скорость барабана; Л/у — упругий момент; Ук — скорость перемещения промежуточного кабеля; Т2 = {3/(4скй|))0,5 —постоянная времени первого упругого звена; ск — жесткость участка «направляющие ролики-промежуточный кабель».

Подвесная линия питания с некоторыми допущениями представлена неравномерно нагруженной струной. Уравнение поперечЕ1ЫХ колебаний ее в среде с сопротивлением

р(х)д*и(х,Ь) адЦ{хЛ) ЭЩхЛ) р{х)д 2

зг2 т аг2 гя, ' 1;

0<х<1, «> о

с граничными условиями

Щх,0) = Щх), и{о,1) = и{1,г) = о,

дщ0,0 _ _ п ^

(Г/(х, £) — отклонение от положения равновесия; х — координата, направленная по длине струны; — сила натяжения; р{х) — масса единицы длины струны; I—длина струны: д—ускорение свободного падения; Ь — текущее время; — усилие, приложенное к подвесной линии со стороны промежуточного кабеля) аппроксимировано системой обыкновенных дифференциальных уравнений, па основании которой составлено операторное уравнение в отклонениях:

дед = - £,(р)т+М + кшАРк(р)), (4)

г = 2,3,..., п,

-ацАх, -Дх? , , , , , &7г

гз; =-; Кт = —тег; «и = "«з»; ¿2» = рза3>; - ——;

«НСН ОнМ'-Рн «Ш^н

А(р) = ^¿Р2 + ¿ир + 1; Е^р) = е2;р2 + + е0;;

ацЛх^ - 1 аа8£ а8грг

=-; ей--—; ец —

в10г О Юг-Г и ^Юг^н

При линейной аппроксимации:

Он :

1

Дх? а„ = —;

в8»

Да;?

2Дач' "" 3 ' 6 '

Уравнение (4) при п — 2 представлено в виде:

АК{Р] = ^ [АР1{Р] ~ ;

«ю. = 1-

(5)

АР2(р) = Сл(Т4^+1)Д1/п(р); ДК,(р) -рС/2(р),

где сп = 4/г„// — жесткость подвесной линии; т., У„ — масса и скорость перемещения подвесной линии; р — оператор Лапласа; р2 — упругие силы в промежуточном кабеле = и подвесной линии питания.

По уравнениям (1), (5) построена структурная схема (рис. 2) механической части электропривода (пружинного) механизма натяжения промежуточного кабеля.

двд

Рис. 2. Структурная схема механической части электропривода механизма натяжения промежуточного кабеля.

Установлена зависимость жесткости участка «промежуточный кабель - направляющие ролики» от удаленности I транспортного средства (от каретки) и от усилия натяжения Р для А!ъ = 0,1,2,3 м

24(^1

(6)

Рк

а; > о, г = 1, 2.

Максимальное значение жесткости ск ~ 104 Н/м при малых I обусловлено величиной деформации оболочек витков кабеля на барабане. Отличие в значениях жесткости при Д/ij = 0 и ДЛг = 3 м не превышает 25%.

Динамика механизма натяжения описывается дифференциальными уравнениями четвертого порядка. Так, например, при входном воздействии ДМ(р) и выходном— AF2[p) операторное уравнение принимает вид:

Dl(p) = (T2p+l)(Tip+iy,

D2(p) = Ti 1*р* + [Ffn + Т2 (Г2 + Т2)]р3 + (a-'Tf + Ti + T2T4) рЧ

+ (Т2+Т4)р + 1;

1 / / /777 Í7

2i = -¿-t/-; T2 = 2Ti; Тз — . /—; Т4 = 2fT3; Тв = /le V у сп V

Сп

а =-.

ск -Ь с„

Показано, что величина коэффициентов демпфирования полученных из анализа расчетных и экспериментальных переходных характеристик получились равными: = 0,11 для механизма с максимальными параметрами механизма натяжения (ПМН) (Re = 0,17 м, ./ = 0,177 кг м2, ск = 104 Н/м, I — 0, m = 9 кг, сп = 420 Н/м) и £2 =0,3 для механизма с минимальными параметрами (Дб = 0,1 м, J = 0,0324 кг/м2, ск = 48 Н/м, I = 20 м, сп = 420 Н/м).

Вследствие слабой чувствительности динамических характеристик механизма к изменению диаметра барабана его диаметр, с целью увеличения силы натяжения, следует выбирать минимально возможным, но не меньше диаметра токосъемного устройства.

С целью снижения колебательности разгон и замедление транспортного средства с пружинным механизмом натяжения следует производить по колебательно затухающей программе (Т„ = 0,3 с, £„ = л/2/2) .

Переходные характеристики пружинного механизма натяжения при разгоне транспортного средства представлены на рис. 3. Размерность приращений переменных величин (Д — опущено): ш— 1/с; VT— м/с; Fx. F2 — Н.

Рис. 3. Переменные системы в переходном процессе при изменении скорости передвижения по колебательно-затухающей программе в системе с максимальными (а) и минимальными (б) параметрами механизма натяжения (ПМН).

Установлено, что уменьшение сопротивления электромагнитной постоянной времени (рис. 4) способствует демпфированию колебаний в системе.

100 <7,%

75

50

25

N

1

0,4 ЮО

С, % а, %

0,3 75

0,2

0,1

0,5 1,0 1,5 2,0 Д„, Ом

а)

50

25

,2

0,4 0,3 0,2 0,1

0,1 0,2 0,3 0,4 Г„ с

б)

Рис. 4. Зависимость перерегулирования а (кривые 1) и коэффициента демпфирования £ (кривые 2) от сопротивления якоря Дя (Ь3 = 0,02 Гн) и от величины электромагнитной постоянной времени Тэ (Пя = 0,4 Ом).

В третьей главе изложены требования, предъявляемые к механизмам натяжения; алгоритмы регулирования момента натяжения и различные структуры электроприводов механизмов натяжения промежуточного кабеля.

Показано, что для поддержания стрелы провиса на заданном уровне £3, для механизма с однорядной укладкой кабеля на барабане, усилие натяжения Р, полученное из решения нелинейного уравнения

(8)

а =

РкР - + АЬ?) -"Яр*

2 Рк{12 + АЬ?)

для £3 = О,25; 0,5; 0,75; 1,0 м, Д/г = О, 1, 2, 3 м, 0 < I < 30 м с погрешностью не более 10 % аппроксимированы (рис. 5, 6) линейными функциями

^, = 1>сМ, 1</н(ДЬ,ез) (9)

а \ГСМ + Ь(А/г, е8)(1 - ¿„(ДМз)), / > гп(ДЬ, е3) '

где - значение максимальной силы трения, зависящей от коэффициента трения, числа колец и массы подвесного кабеля.

Установлено, что требуемая погрешность воспроизведения программы изменения силы натяжения меньше требуемой погрешности стабилизации петли провиса

АГ(е= /гм„„ Дез/ез- (Ю)

Зависимость минимального значения коэффициента /смин = /(с3, Д/г) представлена на рис. 6.

200 Н

150

100

50

0

1

V /

к /

//

7,5 15 22,5 м30

0,8 к

0,6 0,4 0,2 0

0,25 0,5 0,75г м1,0

Рис. 5. Зависимость силы натяжения и Рис. 6. Зависимость минимального ко-коэффициента к от I при А1х = 3 м и эффициента от допустимого провиса

£з = 0,5 м.

кабеля: 1 — АН = 0; 2 — АН = 1 м; 3 — АН = 2 м; 4 — АЬ. = 3 м.

Рассмотрено построение с последующим анализом динамических характеристик систем управления электроприводом натяжения кабеля со связями по различным переменным: току якоря, скорости электродвигателя барабана, скорости транспортного средства, усилия натяжения промежуточного кабеля.

Обобщенная структурная схема такой системы представлена на рис. 7.

Рис. 7. Обобщенная структурная схема электропривода механизма натяжения.

На схеме обозначены: Шрт (р), Wp„(p) — передаточные функции регуляторов тока и натяжения; И7ос(р), — передаточные функции каналов связи по частоте вращения электродвигателя и скорости передвижения транспортного средства; Се, кот -— коэффициенты передачи по скорости и току якоря электродвигателя; /сст, кон — коэффициенты передачи датчиков скорости транспортного средства и натяжения кабеля.

Регулятор тока выбран из условия стандартной настройки контура по условиям модульного оптимума. Вследствие высокого быстродействия контура тока, переходные характеристики системы с отрицательной обратной связью по току якоря практически совпадают с переходными характеристиками пружинного механизма натяжения.

"Установлено, что на величину динамического «провалам силы натяжения промежуточной линии питания значительное влияние оказывает ускорение транспортного средства в начале разгона. Начальные ускорения будут наименьшими при разгоне по колебательно-затухающей программе по сравнению с экспоненциальной и линейной программами. Поэтому и падения усилий натяжения в первом случае наблюдаются наименьшими: Др2л =5.5 Н, а при разгоне по апериодической программе: ДРг.г = 8.5 Н.

Установлено, что полная инвариантность к изменению нормальной составляющей скорости транспортного средства обеспечивается в системе с каналом связи по этой составляющей и блоком дифференцирования четвертого порядка. С помощью метода частотных характеристик установлено, что частичная инвариантность обеспечивается в системе с блоком дифференци-

рования первого порядка

(Тд 1 = 0,063 с - в системе с минимальными ПМН; Тд2 = 0,1 с - в системе с максимальными ПМН; 7ф = 0,001 с).

Уточнение этих параметров производилось по результатам решения минимаксной задачи

tm) — min (maxAF'z (TAi, iM,)),

доставляющей минимальное значение максимального отклонения упругой силы в переходном процессе при разгоне транспортного средства. Значения максимальных отклонений усилий в переходном процессе (рис. 8) составили незначительную величину 71 = 0,2 Н при Т*г = 0,12 с и 71 = 0,3 Н при т:2 = 0,043 с.

Рис. 8. Переменные в переходном процессе в системе с минимальными (а) и максимальными (б) ПМН при изменении скорости по колебательно затухающей программе: 1Я — А; Ут - м/с; Г'2 — Н.

Показано, что в системе управления электроприводом натяжения с обратными связями по току якоря и усилию натяжения показатели качества регулирования (рис. 9) достаточно хорошие.

Рис. 9. Переходные процессы в системе с обратными связями по /я и при минимальных (а) и максимальных (б) ПМН и изменении скорости транспортного средства по колебательно-затухающей программе.

Параметры ПИД-регулятора натяжения выбирались с помощью метода частотных характеристик с последующим уточнением этих параметров по результатам решения минимаксной задачи

AF2 (к'рет, Гр*ег1, Tp*er2, tM) = min (max AF2 (fcper, ГрегЬТ11ег2, t,,)),

см >0

|Д^КР)|>45°.

Показано, что эта система относится к классу робастных систем, так как при изменении ее параметров (0,0324 кг м2 < J < 0,177 кг м2, 48 Н/м < ск < 104 Н/м, 0,5 1/с < /срег <1,5 1/с, 0,027 с < Грег2 < 0,036 с) она сохраняет необходимый запас устойчивости.

В четвертой главе рассмотрены результаты практической реализации

и экспериментальных исследований характеристик системы управления электроприводом натяжения промежуточной линии питания, которая защищена

патентом на изобретение.

По результатам диссертационной работы система управления электроприводом натяжения участка системы электроснабжения электропогрузчиков модели ЭП 103 КО, ЭП 202, ЭП 1616, ЕВ 525 была реализована на предприятиях г. Самары. Экспериментальные исследования подтверждают ее эффективность и достоверность теоретических выводов, полученных в диссертационной работе.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Существующие пружинные приводы, разомкнутые асинхронные электроприводы и замкнутые электроприводы постоянного тока с обратными связями по различным переменным без учета распределенности и переменности плотности массы элементов подвесной линии питания и без учета влияния разности высот точек подвеса промежуточной линии питания па величину се жесткости не обеспечивают требуемого качества управления натяжением линии (плавности, колебательности и т.д.)

2. Разработана математическая модель подвесной линии как элемента объекта управления с распределенными параметрами, на основе которой построена структурная схема многомерного элемента механизма натяжения с входной переменной — силой натяжения и выходными переменными — отклонением подвесной линии питания от положения равновесия в дискретных точках. Установлена зависимость жесткости промежуточной линии от усилия натяжения, удаленности транспортного средства от подвесной линии и от разности высот точек подвеса промежуточной линии.

3. Разработана математическая модель электропривода натяжения со связями по току якоря, частоте вращения двигателя, скорости транспортного средства и усилию натяжения.

4. Разработан алгоритм управления усилием натяжения с целью стабилизации петли провиса промежуточной линии. Показано, что для обеспечения заданной погрешности стабилизации петли провиса в системе управления электроприводом натяжения требуется поддерживать программное усилие с меньшей погрешностью.

5. С целью повышения демпфирования механических колебаний дополнительно к отрицательной связи по току якоря предложено использовать положительную связь по скорости транспортного средства и отрицательную связь по усилию натяжения.

6. Электропогрузчики, оснащенные системой электроснабжения от промышленной электросети с электроприводом натяжения промежуточной линии питания внедрены и успешно работают на нескольких предприятиях г. Самары.

Основные положения и результаты опубликованы в следующих работах:

В изданиях по списку ВАК:

1. Котенев В. В., Котенев А. В. Оборудование для электроснабжения и управления электропогрузчиками // Электро- и теплотехнические процессы и установки. Саратов, 2003. С. 171-173.

2. Котенев В. В., Альмендеев А. А., Котенев В. И. Система централизованного электроснабжения цеховых и складских транспортных средств // Электромеханика. 2007. С. 79. Спецвыпуск.

3. Котенев В. В., Осипов В. С., Серюгин С. В., Котенев В. И. Динамика многомассового механизма натяжения промежуточной лшши СЭС напольных транспортных средств // Вестник СамГТУ. 2009. № 3 (25). С. 172-178.

4. Котенев В. В., Осипов В. С., Серюгин С. В., Котенев В. И. Алгоритм управления усилием натяжения для стабилизации стрелы провиса участка кабельной лшши электроснабжения напольных транспортных средств // Вестник СамГТУ. 2010. № 2 (26). С. 147-152.

В других изданиях:

5. Пат. 2185296 Российская Федерация, МПК7 В 60 Ь 9/00. Устройство для электроснабжения и управления безрельсовым транспортным средством; заявитель и патентообладатель В. В. Котепев, В. И. Котенев, И. А. Шай-дуров, А. В. Котенев. - Л"' 2000131771/28; заявл. 18.12.00; опубл. 20.07.02, Бюл. № 20. 22 с. 4 ил-

6. Котенев В. В., Альмендеев А. А., Котепев А. В., Котенев В. И. Электрооборудование для централизованного электроснабжения напольных транспортных средств // Сб. трудов междунар. научн. техн. конф. «Актуальные проблемы трибологии» / СамГТУ. Москва: Машиностроение, 2007. С. 54-60.

7. Котепев В. В., Альмендеев А. А., Котенев А. В., Котенев В. И. Анализ вязкого трепия упругой механической части и синтез электропривода натяжения системы электроснабжения напольного транспортного средства // Сб. трудов междунар. научн. техн. конф. «Актуальные проблемы трибологии» / СамГТУ. Москва: Машиностроение, 2007. С. 23-27.

8. Котенев В. В., Серюгин С. В., Демидов Г. Л. Система управления натяжением СЭС напольных транспортных средств // Сб. тр. всероссийской науч. конф. молодых ученых «Наука, технология, инновации» / НГТУ. Новосибирск: 2008. С. 100-102.

9. Котенев В. В. Линия питания напольных транспортных средств как элемент механической части электропривода натяжения //Сб. трудов XII междуиар. конф. «Электромеханика, электротехнология, электротехнические материалы и комппоненты» / МЭИ. Крым, Алушта: 2008. С. 32-33.

10. Котенев В. В., Жупиков В. А. Электропривод натяжения силового кабеля СЭС напольного транспортного средства как системы управления с распределенными параметрами // Тезисы всесоюзной, науч. конф. / НГТУ. Новосибирск: 2008. С. 142-144.

11. Котенев В. В., Альмендеев А. А., Котенев В. И. Аппроксимация одномерного волнового уравнения // Тезисы XII междунар. науч. конф. по ма-тем. методам в технике и технологиях / СГТУ. Саратов: 2008. С. 173-175.

12. Котенев В. В., Жупиков В. А., Котенев В. И. Стрела провиса и жесткость системы электроснабжения складского напольного транспорта // Тезисы II всероссийской науч.-техн. конф. «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий». Уфа: 2009. С. 173-175.

13. Котенев В. В., Серюгин С. В., Котенев А. В. Программа задания натяжения кабеля системы электроснабжения напольных транспортных средств // Сборник междунар. науч.-техн. конф. студ., магистр., аспир. по энергоэффективности и энергобезопасности производственных процессов. Тольятти: 2009. С. 83-84.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: [1, 2, 5—9] — структурная и принципиальная схемы электропривода; [3, 11] — математические модели и переходные характеристики подвесной линии; (4, 13| — алгоритмы управления; [10, 12| — математические модели и переходные характеристики.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.04 ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (протокол № 11 от 26 октября 2010 г.)

Заказ Л'°- 47. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе. ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Отдел типографии и оперативной печати Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Введение

Глава 1. Современное состояние, тенденции развития цехо-склад-ского погрузочно-разгрузочного транспорта и обзор работ по конструктивному построению электромеханических систем кабельных электропогрузчиков и по динамическим характеристикам механических систем с упругими связями.

1.1. Современное состояние и тенденции развития цехо-складского погрузочного транспорта.

1.2. Динамические характеристики упруго-диссипативных механизмов.

1.3. Электромеханические системы кабельных электропогрузчиков.

Диссертация посвящена исследованию ы разработке систем электроснабжения напольных транспортных средств.

Актуальность темы. Напольные транспортные средства - это различного вида штабелеры, тележки, электрокары, автопогрузчики и т.д. используются для производства погрузочно-разгрузочных работ в складских и некоторых цеховых помещениях практически на всех больших и малых предприятиях нашей страны. Применение автомобильного газо-бензинового транспорта связано с неудовлетворительной экологией и его использование во многих случаях, особенно на предприятиях пищевой промышленности, проблематично.

Использование аккумуляторных напольных транспортных средств позволяет в некоторой степени улучшить экологические характеристики, но это связано с дополнительными эксплуатационными издержками обусловленными необходимостью зарядных устройств, вентилируемых помещений, дополнительного персонала, замены дорогостоящих аккумуляторных батарей, замены и утилизации электролита и т.д.

Перевод напольного транспорта на кабельное питание от электрической сети позволяет значительно улучшить экологию и уменьшить издержки на его обслуживание, но при этом из-за несовершенства электромеханической системы натяжения снижается надежность выполнения погрузочно-разгрузочных работ. В качестве систем натяжения нашли применение, в основном, транспортные средства с пружинным и асинхронным нерегулируемым приводом механизма натяжения, которые из-за несовершенства механизма натяжения и регулирования натяжения имеют низкую надежность по причине частых обрывов в системе электроснабжения.

Транспортные средства с регулируемым электроприводом постоянного тока механизма натяжения и с улучшенными ресурсными характеристиками, характеризуются сравнительно невысокими динамическими характеристиками - повышенной колебательностью и невысокой точностью регулирования усилий натяжения и стрелы провиса питающего кабеля.

Поэтому разработка электромеханического оборудования с улучшенными динамическими характеристиками, позволяющими повысить надежность работы транспортных средств является важной народно-хозяйственной задачей. Особенно актуально применение транспортных средств с кабельным питанием от сети для предприятий малого и среднего бизнеса, где уменьшение издержек в логистике является одной из основных проблем.

Целью диссертационной работы является разработка, исследование п создание системы управления электроприводом натяжения участка системы электроснабжения напольных транспортных средств, обеспечивающей повышенную надежность за счет улучшения динамических характеристик (плавности, колебательности, быстродействия и т.д.) электропривода.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- проведение анализа современного состояния электроприводов механизмов натяжения движущегося материала;

- математическое описание механизма натяжения питающего кабеля с учетом распределенности масс по длине подвесной линии питания;

- разработка и исследование математической модели механизма и построенных на ее основе структур систем управления электроприводов с обратными связями по различным переменным;

- разработка алгоритмов управления усилием натяжения, обеспечивающих необходимую величину стрелы провиса питающего кабеля;

- конструирование и экспериментальные исследования разработанных электроприводов натяжения.

Методы исследований. Использованы методы математического анализа., в частности приближенные методы решения задач математической физики, методы теории автоматического управления и теории автоматизированного электропривода, а также методы компьютерных и экспериментальных исследований.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием математического аппарата, вычислительных программных комплексов, обоснованностью принятых допущений и подтверждается совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных.

Научная новизна. В данной работе получены следующие основные результаты:

- математическая модель механизма натяжения, отличающаяся от аналогов повышенной точностью за счет учета распределенности масс подвесной линии и замены сосредоточенной силы, приложенной по нормали к подвесной линии, эквивалентной распределенной силой;

- методика вычисления жесткости подвесной линии и методика определения жесткости промежуточной линии, отличающаяся учетом расположения точек подвеса на разных высотах;

- алгоритмы управления усилием натяжения и определение погрешности их воспроизведения по заданной погрешности стабилизации стрелы провиса;

- структуры систем управления электроприводом механизма натяжения, новизна которых подтверждена патентом на изобретение.

Практическая значимость работы:

- разработана оригинальная конструкция механизма натяжения, которая защищена патентом на изобретение;

- предложена методика аппроксимации подвесной линии питания как объекта с распределенными параметрами эквивалентным объектом с сосредоточенными параметрами;

- разработаны схемы электроприводов механизма натяжения с различными связями по регулируемым переменным.

Реализация результатов работы. Напольные транспортные средства в виде электропогрузчиков типа ЭП 103 КО, ЭП 1616, ЕВ 717 и др., оснащенные системой электроснабжения с электроприводом механизма натяжения, разработанной на основе диссертационной работы, внедрены и на протяжении нескольких лет эксплуатируются на предприятиях г. Самары: ОАО ПКК «Весна», Г.К. «Аист», ЗАО «Капель» и др.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (г. Самара, 2007 г.)

- Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистров и аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2007 г.)

- Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технология, инновации» (Новосибирск, 2007 г., 2008 г.)

- Двенадцатой международной научной конференции по математическим методам в технике и технологиях (Саратов, 2008 г.)

- Одиннадцатой всероссийской научно-технической конференции по электротехнологии, электроприводу и электрооборудованию предприятий (Уфа, 2009 г.)

- Международной научно-технической конференции студентов, магистро1 и аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, 2009 г.)

- Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние и проблемы» (Оренбург, 2010 г.)

- Шестой международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2010 г.)

Основные положения выносимые на защиту:

1. Математическая модель механизма натяжения питающего кабеля с учетом распределенности массы подвесной линии питания.

2. Методика определения жесткости кабельной линии системы электроснабжения напольного транспорта.

3. Алгоритмы задания усилия натяжения и методика определения погрешности их воспроизведения.

4. Результаты аналитических и экспериментальных исследований систем управления электроприводов натяжения с учетом упругих и обратных связей по переменным состояния.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит пз введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 105 наименований. Работа изложена на 166 листах машинописного текста, содержит 106 рисунков, 5 таблиц.

Краткое содержание работы

В первой главе приведен анализ современного состояния электрического напольного транспорта и отмечены основные направления его развития. Показано, что электрический напольный транспорт в виде аккумуляторных электропогрузчиков, тележек, штабелеров и т.д. получил достаточно широкое распространение при выполнении погрузочно-разгрузочных работ в цехах и складских помещениях на предприятиях различных отраслей промышленности.

Напольные транспортные средства с питанием от электрической сети с пружинным и нерегулируемым асинхронным приводом механизма натяжения питающего кабеля во избежание его обрыва работают, в основном, с заниженной производительностью и при обслуживании помещений или площадок размером до 5000 м2. Применение транспортных средств с более совершенным направляющим устройством и регулируемым электроприводом постоянного тока механизма натяжения позволило повысить надежность и производительность агрегата, но его ресурсные характеристики из-за повышенной колебательности упругих сил натяжения остались неудовлетворительными.

Показано, что механизм натяжения питающего кабеля с подвесной линией питания при рассмотрении их как объекта управления упругими силами относится к нелинейным объектам с распределенными и переменными параметрами, что не позволило в полной мере воспользоваться известными математическими моделями следующих ученых: В.Д. Барышникова, Ю.А. Борцо-ва, А.И. Бычкова, Б.Ш. Бургина, Б.В. Квартального, В.И. Ключева, Г.Г. Соколовского, В.М. Шестакова, Ф.К. Фоттлера, В.И. Яковлева и др.

Отмечено, что построение системы управления электроприводом натяжения на базе математической модели, учитывающий распределенность масс подвесной линии питания и разновысотное расположение подвесных точек промежуточной линии, а также разработка алгоритмов управления усилием натяжения позволило значительно улучшить ресурсные характеристики транспортного средства.

Во второй главе рассматриваются электропогрузчики с различными вариантами конструкторного исполнения и математического описания механизмов натяжения совместно с подвесной линией питания, ориентированных на построение автоматизированного электропривода.

В третьей главе изложены требования, предъявляемые к механизмам натяжения; алгоритмы регулирования момента натяжения и различные структуры электроприводов механизмов натяжения промежуточного кабеля.

В четвертой главе рассмотрены результаты практической реализации и экспериментальных исследований характеристик системы управления электроприводом натяжения промежуточной линии питания, которая защищена патентом на изобретение.

3.6. Выводы по третьей главе.

1. Показано, что возможны следующие варианты схем управления электроприводом смотки-намотки кабеля: с ООС по току якоря; с ООС по току якоря и положительной связи по скорости транспортного средства; с ООС по току якоря и усилию натяжения кабеля.

2. Показано, что, с целью уменьшения величины стрелы провиса, подвесную линию следует располагать как можно выше, получены аналитические зависимости и по ним построены графики зависимости петли провиса от разности высот точек подвеса промежуточной линии.

3. Установлено, что усилие натяжения является нелинейной функцией от допустимого значения петли провиса, разности высот точек подвеса и удаленности транспортного средства от подвесной линии. На основе этой зависимости разработаны программы задания усилия натяжения с целью стабилизации петли провиса.

4. Показано, что для обеспечения заданной погрешности стабилизации петли провиса в САУ натяжением кабеля требуется поддерживать программное натяжение с меньшей погрешностью.

5. Установлено, что в установившемся режиме в САУ с ООС по току якоря момент двигателя и упругие силы в кабельных линиях пропорциональны величине задающего сигнала, а скорость перемещения промежуточного кабеля пропорциональна скорости изменения задающего сигнала.

6. Показано, что в САУ с ООС по току якоря с удалением транспортного средства от подвесной линии из-за уменьшения жесткости и радиуса намотки кабеля существенно уменьшается колебательность процесса. Наилучшее демпфирование колебаний имеет место при изменении задающего сигнала по колебательно-затухающей программе. Изменение параметров контура регулирования тока слабо влияет на демпфирование механических колебании, так как быстродействие контура тока почти на два порядка превышает быстродействие механизма натяжения.

7. Установлено, что при работе в помещениях с полами невысокого качества возникают значительные кратковременные колебания упругих сил - при скачке скорости равном 0,1 м/с падение усилия составляет 17 Н. На величину динамического провала усилий значительное влияние оказывает ускорение в начале разгона; при разгоне по колебательно-затухающей программе начальные ускорения минимальные по сравнению с ускорениями при разгоне по другим программам.

8. Установлено, что положительная связь по нормальной составляющей скорости движения транспортного средства значительно улучшает показатели качества электропривода натяжения, но ее реализация, за исключением роботизированных транспортных средств, проблематична из-за отсутствия датчика этой скорости.

9. Показано, что в системе управления с отрицательной обратной связью по усилию натяжения подвесной линии переходный процесс по заданию протекает достаточно быстро (около одной секунды) с незначительным перерегулированием (около 7%), динамический провал упругих сил не превышает 1 Н, чувствительность к изменению параметров - слабая.

Глава 4

Реализация и экспериментальные исследования системы электроснабжения кабельного электропогрузчика.

В данной главе дается описание оригинальных узлов системы электроснабжения электропогрузчика с автоматизированным электроприводом механизма натяжения кабеля и основные результаты экспериментальных исследований этой системы.

4.1. Реализация системы электроснабжения электропогрузчика с автоматизированным электроприводом механизма натяжения.

Общий вид кабельного электропогрузчика представлен на рис. 4.1, а его функциональная схема приведена на рис. 4.2.

Электрическая схема (рис. 4.2) содержит четырехжильный подвесной кабель, размещенный на шторной подвеске. Одним концом подвесной кабель подключен к электрической сети через коммутационный аппарат КА, содержащий автоматический выключатель и устройство защитного отключения, а другим концом тремя разными проводами А, В, С, нулевым проводом N -к статору первого токосъемника ТУ1.

Шторная подвеска содержит подвесные кольца, стальной канат и кронштейны, укрепленные на противоположных стенках складского помещения. На стальном канате установлена, с возможностью перемещения по нему, каретка, на которой установлен первый токосъемник.

К трем фазным проводам коммутационного аппарата через первый токосъемник, промежуточный кабель, поддерживаемый направляющим узлом, второй токосъемник ТУ2, подключены выводы трех первичных обмоток силового трансформатора Т1, которые соединены в звезду.

Рис. 4.1. Общий вид электропогрузчика ЭП 103 КО с кабельным питанием. г I

Рис. 4.2. Функциональная схема электроснабжения траспортного средства

Нулевой провод N через токосъемные устройства ТУ1 и ТУ2, а также нейтральная точка силового трансформатора соединены с корпусом барабана и корпусом аккумуляторного ящика.

Направляющий узел состоит из двух роликов, вращающихся вокруг горизонтальных осей. Оси роликов закреплены на двух стальных уголках. Стальные уголки опираются на стакан посредством четырех шпилек. Между стаканом и станиной установлены подшипники качания. В результате этого стакан с роликами вращаются вокруг вертикальной оси относительно станины.

Станина направляющего узла закреплена на двух дисках кожуха барабана. Кожух барабана состоит из двух дисков, соединенных между собой стальными шпильками. Один диск кожуха крепится к опорной плите сварной рамы. На сварной раме, состоящей из стальных уголков и трех опорных плит, закреплен на третьей плите электродвигатель, который через муфту соединен с валом барабана.

Электродвигатель представляет собой электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения. На горизонтальном валу барабана закреплен ротор второго токосъемника и барабан. Рама закреплена на подставке, которая изготовлена из стальных уголков и крепится на корпусе электропогрузчика.

Электропривод барабана содержит вторичные обмотки силового трансформатора Т1, к выводам которого подключены блок трансформаторов тока ВТ, управляемый выпрямитель, якорь электродвигателя М1, сглаживающий дроссель Д.

Управляемый выпрямитель состоит из трех тиристоров VS1-VS3, катоды которых соединены вместе. Второй конец сглаживающего дросселя Д соединен с нейтралью вторичных обмоток силового трансформатора Т1. Причем с целью повышения чувствительности трансформаторов тока Т1-ТЗ, анод тиристора VS1 соединен через окна трансформаторов тока ТА2, TAI с фазным проводом А1 силового трансформатора Т1. Диод тиристора УЭ2 последовательно соединен через окна трансформаторов тока ТА2, ТА1 с фазным проводом А1 силового трансформатора Т1. Диод тиристора УЭЗ последовательно соединен через окна трансформаторов тока Т1, ТЗ с фазным проводом С1. Вторичные обмотки силового трансформатора соединены в звезду.

Электропривод барабана представляет собой систему автоматического управления натяжением кабеля с главной ООС по натяжению или САУ с главной ООС по току якоря. В этих системах предусмотрена возможность включения отрицательной связи по частоте вращения электродвигателя с помощью датчика скорости ДС.

Остальные элементы элементы: ТС —■ транспортное средство; ЭМН — элев тропривод механизма натяжения; КП — компаратор; К1 — КЗ — ключи; ИБС — источник единичного сигнала; БП — блок питания; БУТ —блок управления тиристорами; ДС — датчик скорости; ДДК — датчик длины кабеля; ДН — датчик натяжения; ПЗУН — программо-задающее устройство натяжением; РН, РТ — регуляторы натяжения и тока.

Устройство [104] работает следующим образом. Электроэнергия передается по подвесному кабелю, первому токосъемнику ТУ1, промежуточному кабелю, второму токосъемнику ТУ2 через общий силовой трансформатор Т1 ко всему электрооборудованию транспортного средства ТС.

При движении транспортного средства ТС вдоль стального каната в ту или другую сторону подвесной кабель собирается в петли или распрямляется. А при его движении от стального каната промежуточный кабель, поддер-живаясь на одном из вращающихся роликов, разматывается с барабана под действием усилия движущегося транспортного средства. При перемещении транспортного средства обратно к стальному канату промежуточный кабель наматывается на барабан. Натяжение кабеля при этом поддерживается на заданном уровне системой автоматической стабилизации тока якоря или усилия натяжения.

Транспортное средство благодаря роликам, вращающимися в горизонтальной и вертикальной плоскостях, может перемещаться в произвольных направлениях— к стальному канату, от него, а также может совершать круговые движения вокруг своей оси. Оснащение транспортного устройства направляющим узлом с вращающимися роликами позволил также исключить заедание промежуточного кабеля, что могло бы привести к его провисанию п обрыву.

Требуемое натяжение промежуточного кабеля устанавливается задатчи-ком натяжения, а плавность усилия натяжения при включении в сеть транспортного средства — задатчиком интенсивности натяжения. Применение этих задатчиков позволило устранить ударные нагрузки, прикладываемые к промежуточному кабелю при включении транспортного средства и, тем самым, значительно увеличить срок службы кабеля.

Для питания электродвигателя перемещения и электродвигателя подъема используется управляемый двухступенчатый выпрямитель, состоящий из трехфазной управляемой схемы выпрямления с включением трех тиристоров по схеме с общим катодом и из трехфазной мостовой управляемой схемы выпрямления.

Использование управляемого двухступенчатого выпрямителя, работающего с малыми углами регулирования, позволяет обойтись одним отечественным стандартным силовым трансформатором.

В аварийных режимах, при недопустимо больших натяжениях промежуточного кабеля, вызванных, например, обрывом цепи обратной связи по току якоря электродвигателя выходом из строя задатчиков интенсивности натяжения, задатчиков тока и натяжения, регуляторов натяжения или стопорением электродвигателя, ток происходит увеличение тока якоря до максимально допустимой величины. Это приведет к срабатыванию компаратора КП, блока памяти БП, размыканию нормально замкнутого ключа КЗ и увеличению угла регулирования отпирающих импульсов, формируемых блоком БУТ. В результате этого, напряжение на якоре электродвигателя уменьшается до минимального значения величины и натяжение промежуточного кабеля будет ограничено максимально допустимой величиной.

Если же задатчик интенсивности натяжения и задатчик натяжения вышли из строя так, что на их выходах исчезли сигналы, то для продолжения работы транспортного средства на пониженной скорости замыкают ключ К2. При этом срабатывает блок памяти БП, размыкается нормально замкнутый ключ К2 и блок управления БУТ переводит силовую схему электропривода барабана на пониженное напряжение.

При обрыве подвесного или промежуточного кабеля или только их нулевой жилы, а также при срабатывании конечного выключателя К1 срабатывает устройство защитного отключения У30, расположенное на стене складского помещения, обесточивается и транспортное средство ТС, отключаясь от электрической сети ЭС.

Конечный выключатель К1 срабатывает при недопустимо большом натяжении промежуточного кабеля, когда по каким-либо причинам не сработал компаратор КП или блок памяти БП, а также при выходе электродвигателя, управляемого выпрямителя, блока трансформатора БТ и т. д.

Функциональная пятипроводная схема транспортного средства отключается от предыдущей схемы тем, что при обрыве подвесного или промежуточного кабеля или только нулевой жилы, а также при срабатывании конечного выключателя катушка магнитного пускателя коммутационного аппарата расположенного на стене складского помещения обесточивается и транспортное средство отключается от электрической сети.

Система управления электроприводом механизма натяжения реализована в двух исполнениях— в аналоговом и цифровом. Первый вариант используется, в основном, при работе транспортного средства на небольшом удалении от подвесной линии питания. В этом случае к системе управления не предъявляются сложные требования к логике функционирования и оправдан выбор конфигурации системы с обратной связью по току якоря. Релизация этой схемы производится с применением аналоговых элементов: операционных усилителей типа К157УД2, транзисторов КТ315, КТ917, оптопар 4НЗЗ. Достоинство данной реализации — минимальная стоимость при обеспечении удовлетворительного функционирования транспортного средства на небольшом удалении от подвесной линии питания.

Во втором случае— при работе, например, в многорядном складе и на значительном удалении свыше 20 м требуется более сложная логика (для формирования программы задания усилия натяжения) и реализация на дискретных микроэлектронных элементах без применения микропроцессоров становится нецелесообразной, так как значительно понижается надежность электропривода.

Использование стандартных средств микропроцессорного управления в этом случае не является оправданными, так как они имеют более высокую стоимость и требуют большее количество пространства для их размещения. Поэтому система управления была реализована на однокристальном микроконтроллере марки ds PIC 30F6010 с быстродействием в 30 MIPS и быстродействующим АЦП, обеспечивающий до 0,5 миллионов выборок в секунду.

Коэффициент затухания подвесной линии определялся из эксперимента, который проводился на однотонном электропогрузчике ЭП103 К. Электропогрузчик находился под тросом в его середине.

На диске барабана по его диаметру проводились линии, напротив которой на кожухе наносилась отметка, соответствующая установившемуся режиму. Затем барабан поворачивался на определенный угол <£>(0) и отпускался. Совершив несколько периодов, колебаний барабан останавливался. Эксперимент повторялся несколько раз. Фиксировались значения углов поворота барабана и значение времени (по секуномеру).

Величина коэффициента демпфирования определялась путем сравнения расчетных (при разных £) и экспериментальных характеристик. Расчетные характеристики определялись из операторного соотношения аз (р) = ^Шт,

D4(P) где

0'А = ^ЪгУг~1 ■

7 = 1

Характеристический полином ^(р) и его коэффициенты даны в разделе 3.3.1. Временные характеристики для механизма натяжения при </ = 0,177 кгм2, Яб = 0,17 м, подвесной линии длиной I = 30 м с подвесным кабелем ПВС 4x4, массой каретки т = 9 кг представлены на рис. 4.3. Погрешностью определения коэффициента £ = 0,1 составила около 20%.

1 - "А — - — — - -

Л А „ „ / 1, / 1: 1г № / Д/у ЧУ'

05

1.5

2 /,сек

Рис. 4.3. Временные характеристики подвесной линии питания:--расчетная характеристика при £ = 0,1; • - экспериментальная

Экспериментальные переходные характеристики при других значениях 3 и Яб отличаются от расчетных по длительности периода и величине амплитуды не более чем на 30 %.

4.2. Реализация системы электроснабжения электропогрузчиков типа ЭП103 КО с питанием от электрической сети на ОАО

ПКК «Весна» (г. Самара).

Реализацию системы электроснабжения напольного транспортного средства с электроприводом механизма натяжения промежуточного кабеля будем рассматривать на примере электропогрузчика типа ЭП 103 КО, работающего в складских помещениях ОАО ПКК «Весна» (г. Самара).

Для полного охвата производственного помещения предусмотрены две подвесные линии питания выполненные с применением стального троса диаметром 8 мм.

Для обеспечения необходимого натяжения на каждой тросовой линии установлен талреп. Шторная подвеска выполнена кабелем типа ПВС 4x4 подвешенным на несущем тросе с помощью свободно перемещающихся колец. Точка подключения подвесной линии питания обеспечивается путем применения каретки с токосъемником для предотвращения перекручивания подключаемого к ней питающего кабеля промежуточной линии.

В качестве переоборудываемого транспортного средства заказчиком был выбран электропогрузчик производства ЗАО «Машиностроительный завод им. М. И. Калинина» (г. Екатеринбург) типа ЭП 103 КО и грузоподъемностью 1 т. Изначально питание электропогрузчика данного типа осуществлялось от аккумуляторных батарей, поэтому на борту электропогрузчика был установлен комплект питания от электрической сети, включающий в себя:

- настенный шкаф питания с системой защиты от КЗ и обрыва нулевого провода;

- подвесная линия питания с кареткой и кабель-шторной подвеской;

- механизм натяжения промежуточного кабеля с двигателем постоянного тока типа 2ПБВ-100 и направляющим устройством;

- силовая панель для питания электроприводов основных механизмов подъема и перемещения электропогрузчика;

- распределительная панель на которой установлены схемы распределения электроэнергии 380 В и элементы силовой системы управления механизмом натяжения;

- панель системы управления электроприводом механизма натяжения.

Общий вид электропогрузчика, оснащенного системой питания после завершения монтажных работ показан на рис. 4.1. Общий вид электрооборудования системы управления натяжением, размещенное в аккумуляторном отсеке, представлен на рис. 4.4, а микропроцессорная схема управления — на рис. 4.5.

Рис. 4.4. Общий вид электрооборудования системы управления натяжением, размещенное в аккумуляторном отсеке.

Рис. 4.5. Микропроцессорная система управления.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Существующие пружинные приводы, разомкнутые асинхронные электроприводы и замкнутые электроприводы постоянного тока с обратными связями по различным переменным без учета распределенности и переменности плотности массы элементов подвесной линии питания и без учета влияния разности высот точек подвеса промежуточной линии питания на величину ее жесткости не обеспечивают требуемого качества управления натяжением линии (плавности, колебательности и т.д.)

2. Разработана математическая модель подвесной линии как элемента объекта управления с распределенными параметрами, на основе которой построена структурная схема многомерного элемента механизма натяжения с входной переменной— силой натяжения и выходными переменными— отклонением подвесной линии питания от положения равновесия в дискретных точках. Установлена зависимость жесткости промежуточной линии от усилия натяжения, удаленности транспортного средства от подвесной линии и от разности высот точек подвеса промежуточной линии.

3. Разработана математическая модель электропривода натяжения со связями по току якоря, частоте вращения двигателя, скорости транспортного средства и усилию натяжения.

4. Разработан алгоритм управления усилием натяжения с целью стабилизации петли провиса промежуточной линии. Показано, что для обеспечения заданной погрешности стабилизации петли провиса в системе управления электроприводом натяжения требуется поддерживать программное усилие с меньшей погрешностью.

5. С целью повышения демпфирования механических колебаний дополнительно к отрицательной связи по току якоря предложено использовать положительную связь по скорости транспортного средства и отрицательную связь по усилию натяжения.

6. Электропогрузчики, оснащенные системой электроснабжения от промышленной электросети с электроприводом натяжения промежуточной линии питания внедрены и успешно работают на нескольких предприятиях г. Самары.

1. Амосов А. А., Дубинский Ю. А., Копченова А. Л. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высшая школа, 1994. С. 544.

2. Андреев Ю. Н. Управление конечномерными линейными объектами. М.: Наука, 1976. С. 424.

3. Андриевский Б. Р., Фрадков А. Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке МаШЬ. СПб.: Наука, 1999. С. 467.

4. Бабаков И. М. Теория колебаний. М.: Наука, 1968. С. 560.

5. Барбашин Е. А. Введение в теорию устойчивости. Москва: Наука, 1967. С. 312.

6. Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы. Москва: Наука, 1987. С. 600.

7. Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. Управление электроприводами. Ленинград: Энергоиздат, 1982. С. 392.

8. Башарин А. В., Новиков В. А., Столяров А. И. Динамические модели электромеханических систем лентопротяжных механизмов // Электротехническая промышленность. 1979. № 4(75). С. 1-6. серия «Электропривод».

9. Башарин А. В., Постников Ю. В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ. Ленинград: Энергоатомиздат, 1990. С. 512.

10. Беклемишев Д. В. Дополнительные главы линейной алгебры. Москва: Наука, 1983. С. 338.

11. Бессекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. Санкт-Петербург: Профессия, 2003. С. 752.

12. Бицадзе А. В. Уравнения математической физики. Москва: Наука, 1976. С. 296.

13. Борцов Ю. А., Соколовский Г. Г. Тиристорные системы электропривода с упругими связями. Л.: Энергия, 1979. С. 160.

14. Бошнякович А. Д. Механический расчет проводов и тросов линий электропередач. Ленинград: Энергия, 1971. С. 298.

15. Бриккер И. Л. О частотном анализе линейных систем с переменными параметрами // Автоматика и телемеханика. 1966. № 8. С. 43-54.

16. Будак Б. М., А.Самарский А., Тихонов А. Н. Сборник задач по математической физике. Москва: Наука, 1980. С. 688.

17. Васильев Д. В., Чуич В. Г. Системы автоматического управления. Москва: Высшая школа, 1967. С. 368.

18. Воеводин В. В. Вычислительные основы линейной алгебры. Москва: Наука, 1977. С. 304.

19. Воеводин В. В., Кузнецов Ю. Д. Матрицы и вычисления. Москва: Наука, 1984. С. 320.

20. Воронов А. А. Основы теории автоматического управления. Москва: Энергия, 1966. Т. 2. С. 336.

21. Воронов А. А. Основы теории автоматического управления. Москва: Энергия, 1965. Т. 1. С. 472.

22. Воронов А. А., Титов В. К., Новогранов Б. Н. Основы теории автоматического регулирования и управления. Москва: Высшая школа, 1977. Т. 1, 2. С. 519.

23. Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. Москва: Наука, 1988.

24. Гельфонд А. О. Исчисление конечных разностей. Москва: Наука, 1967. С. 315.

25. Гноенский J1. С., Каменский Г. А., Элъсголъц JI. Э. Математические основы теории управляемых систем. Москва: Наука, 1969. С. 512.

26. Гойхман П. А. Устойчивость многомассовой электромеханической системы управления приводом подач копировально-фрезерного станка // Электротехническая промышленность. 1979. X2 4(75). С. 6-10. серия «Электропривод».

27. Гроп Д. Методы идентификации систем, Под ред. Е. П. Кринецкий. Москва: Мир, 1979. С. 302. Пер. с англ.

28. Д'Анжело Г. Линейные системы с переменными параметрами. Анализ и синтез, Под ред. Н. Кузовков. Москва: Машиностроение, 1974. С. 288. Пер с англ.

29. Дейч А. М. Методы идентификации динамических объектов. Москва: Энергия, 1979. С. 240. Пер. с англ.

30. Диткин В. А., Прудников А. П. Справочник по операционному исчислению. Москва: Высшая школа, 1965. С. 467.

31. Дорф Д., Бишоп Р. Современные системы управления. Москва: Лаборатории базовых знаний, Юнимедиастайл, 2002. С. 831.

32. Емельянов С. В. Системы автоматического управления с переменной структурой. Москва: Наука, 1967.

33. Зимин Е. Н., Яковлев В. И. Автоматическое управление электроприводами. Москва: Высшая школа, 1979. С. 318.

34. Зйкхофф П. Основы идентификации систем управления. Москва: Мир, 1975. С. 683.

35. Иванов В. А., Медведев В. С., Чемоданов Б. К. Математические основы теории автоматического регулирования. Москва: Высшая школа, 1977. Т. 1. С. 518. В 2-х т.

36. Иващенко H. Н. Автоматическое регулирование. Москва: Машиностроение, 1973. С. 606.

37. Ильинский Н. Ф. Электроприводы постоянного тока с управляемым моментом. Москва: Энергоиздат, 1981. С. 144.

38. Ключев В. И. Теория электропривода. Москва: Энергоатомиздат, 1985. С. 560.

39. Котенев В. И. Приближенный метод решения задач нестационарной теплопроводности // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1986. по. 3. Pp. 111-116.

40. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Москва: Наука, 1984. С. 832.

41. Котенев А. В. Электропривод механизма натяжения питающего кабеля электрофицированного напольного транспортного средства: Кандидатская диссертация / СамГТУ. Самара, 2005. Автореф. канд. дисс.

42. Котенев В. В., Альмендеев А. А., Котенев В. И. Аппроксимация одномерного волнового уравнения // Тезисы XII междунар. науч. конф. по матем. методам в технике и технологиях / СГТУ. Саратов: 2008. С. 173-175.

43. Котенев В. В., Альмендеев А. А., Котенев В. И. Система централизованного электроснабжения цеховых и складских транспортных средств // Электромеханика. 2007. С. 79. Спецвыпуск.

44. Котенев В. В., Жупиков В. А. Электропривод натяжения силового кабеля СЭС напольного транспортного средства как системы управления с распределенными параметрами // Тезисы всесоюзной, науч. конф. / НГТУ. Новосибирск: 2008. С. 142-144.

45. Котенев В. В., Котенев А. В. Оборудование для электроснабжения и управления электропогрузчиками // Электро- и теплотехнические процессы и установки. Саратов, 2003. С. 171-173.

46. Котенев В. В., Осипов В. С., Серюгин С. В., Котенев В. И. Алгоритм управления усилием натяжения для стабилизации стрелы провиса участка кабельной линии электроснабжения напольных транспортных средств // Вестник СамГТУ. 2010. № 2 (26). С. 147-152.

47. Котенев В. В., Осипов В. С., Серюгин С. В., Котенев В. И. Динамика многомассового механизма натяжения промежуточной линии СЭС напольных транспортных средств // Вестник СамГТУ. 2009. № 3 (25). С. 172-178.

48. Котенев В. В., Серюгин С. В., Демидов Г. Л. Система управления натяжением СЭС напольных транспортных средств // Сб. тр. всероссийской науч. конф. молодых ученых «Наука, технология, инновации» / НГТУ. Новосибирск: 2008. С. 100-102.

49. Крылов Ю. А. Разработка и исследование САР натяжением полосы отжига электролитического лужения: Кандидатская диссертация / МЭИ. Москва, 1978. Автореф. канд. дисс.

50. Кузовков Н. Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. Москва: Машиностроение, 1976. С. 184.

51. Лебедев Е. Д., Неймарк В. Е., Пистрак М. Я., Слежановский О. В. Управление вентильными электроприводами постоянного тока. Москва: Энергия, 1970. С. 200.

52. Лимонов А. Г., Мацько Е. М., Таращанский П. И. Динамика систем прямого регулирования на линиях непрерывной обработки полосы // Электротехническая промышленность. 1980. К5 1(81). С. 10-13. серия «Электропривод».

53. Манжиров А. В., Полянин А. Д. Методы решения интегральных уравнений. Москва: Факториал, 1999. С. 272. Справочник.

54. Менский Б. М. Принцип инвариантности в автоматическом регулировании и управлении. Москва: Машиностроение, 1972. С. 248.

55. Михайлов Ф. А. Динамика нестационарных линейных систем. Москва: Наука, 1976. С. 368.

56. Михеев Ю. Е., Сосоннин В. Л. Системы автоматического управления станками. Москва: Машиностроение, 1978. С. 264.

57. Моисеев Н. Н. Математика ставит эксперимент. Москва: Наука, 1979. С. 224.

58. Москаленко В. В. Автоматизированный электропривод. Москва: Энер-гоатомиздат, 1986. С. 416.

59. Москаленко В. В. Современные системы автоматизированного электропривода. Москва: Высшая школа, 1980. С. 96.

60. Первозванский А. А. Курс теории автоматического управления. Москва: Наука, 1986. С. 616.

61. Попов Е. Л. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. Москва: Наука, 1978. С. 720.

62. Потемкин В. Т. Система МАТЬАВ. Справочное пособие. Москва: ДИАЛОГ-МИФИ, 1997.

63. Рей У. X. Методы управления технологическими процессами. Москва: Мир, 1983. С. 368. Пер. с англ.

64. Решмин Б. И., Ямпольский Д. С. Проектирование и наладка систем подчиненного регулирования электроприводов. Москва: Энергия, 1975. С. 184.

65. Ротач В. Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами. Москва: Энергоатомиздат, 1985. С. 296.

66. Сейдж А., Меле Э. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. Москва: Связь, 1976. С. 495.

67. Сивцов В. И., Чулин Н. А. Автоматизированный синтез систем регулирования на основе частотного метода теории автоматического управления. Москва: Машиностроение, 1982. С. 56.

68. Сиротин А. А. Автоматическое управление электроприводами. Москва: Энергия, 1969. С. 560.

69. Смирнов В. И. Курс высшей математики. Москва: Наука, 1965. Т. 1. С. 478.

70. Соколов Н. И. Аналитический метод синтеза линеаризованных систем автоматического регулирования. Москва: Машиностроение, 1966. С. 328.

71. Солодов А. В., Петров Ф. С. Линейные автоматические системы с переменными параметрами. Москва: Наука, 1971. С. 620.

72. Солодовников В. В., Плотников В. Н., Яковлев А. В. Теория автоматического управления техническими системами. Москва: Издательство МГТУ им. И. Э. Баумана, 1993. С. 492.

73. Солодовников В. В., Плотников В. Н., Яковлев А. В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. Москва: Машиностроение, 1985. С. 608.

74. Солодовников В. В., Филимонов Н. Б. Проблема динамического качества систем автоматического управления. Москва: МВТУ, 1987. Учеб. пособие.

75. Степанов В. В. Курс дифференциальных уравнений. Москва: ГИФМЛ, 1958. С. 468.

76. Тимошенко С. П., Янг Д. X., Уивер У. Колебания в инженерном деле. Москва: Машиностроение, 1985. С. 472.

77. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. Москва: Наука, 1974. С. 224.

78. Тищенко Н. М. Введение в проектирование систем управления. Москва: Энергоатомиздат, 1986. С. 248.

79. Топчеев Ю. И., Цыпляков А. Л. Задачник по теории автоматического регулирования. Москва: Машиностроение, 1977. С. 720.

80. Филипс У., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. Москва: Лаборатории базовых знаний, 2001. С. 615.

81. Фишбейн В. Г. Расчет систем подчиненного регулирования вентильного электропривода. Москва: Энергия, 1972. С. 136.

82. Фомин В. Н., Фрадков А. Л., Якубович В. А. Адаптивное управление динамическими объектами. Москва: Наука, 1981.

83. Фрер Ф., Орттенбургер Ф. Введение в электронную технику регулирования. Москва: Энергия, 1973. С. 423.

84. Цыпкин Я. 3. Основы теории автоматических систем. Москва: Наука, 1977. С. 650.

85. Чиликин М. Г., Ключев В. И., Сандлер А. С. Теория автоматизированного электропривода. Москва: Энергия, 1979. С. 616.

86. Чиликин М. Г., Сандлер А. С. Общий курс электропривода. Москва: Энергоиздат, 1981. С. 576.

87. Шаталов А. С. Преобразование сигналов автоматического управления. Москва-Ленинград: Энергия, 1965. С. 344.

88. Шестаков В. М., Егоров В. Н. Типовые замкнутые системы автоматического управления. Ленинград: СЗПИ, 1979. С. 70.

89. Сборник задач по ТАР и У, Под ред. В. А. Бессекерский. Наука, 1978. С. 512.

90. Структуры систем управления автоматизированным электроприводом, Под ред. А. Г. Галкин. Минск: Наука и техника, 1978. С. 368.

91. Справочник по автоматизированному электроприводу, Под ред. В. А. Елисеев, А. В. Шинянский. Энергоатомиздат, 1983. С. 616.164

92. Справочник по теории автоматического управления, Под ред. А. А. Кра-совский. Москва: Наука, 1987. С. 712.

93. Методы классической и современной теории автоматического управления, Под ред. К. А. Пупков, Е. Д. Егупов. 2-е, перераб. и доп изд. Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. Т. 1. С. 616. Учебник в 5-ти тт.

94. Методы классической и современной теории автоматического управления, Под ред. К. А. Пупков, Е. Д. Егупов. 2-е, перераб. и доп. изд. Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. Т. 3. С. 616. Учебник в 5-ти тт.

95. Основы теории автоматического управления, Под ред. Н. Б. Судзилов-ский. Москва: Машиностроение, 1985. С. 512.

96. Математические основы теории автоматического регулирования, Под ред. Б. К. Чемоданов. Москва: Высшая школа, 1977. Т. 1. С. 366.

97. Математические основы теории автоматического регулирования, Под ред. Б. К. Чемоданов. Москва: Высшая школа, 1977. Т. 2. С. 456.

98. Следящие приводы, Под ред. Б. К. Чемоданов. Москва: Энергия, 1976. Т. 1. С. 480.

99. Теория управления. Терминология. Москва: Наука, 1988. С. 56. Вып. 107М.s>весна

100. ОАО ПАРФЮМЕРНО-КОСМЕТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ «ВЕСНА»о внедрении электромеханического оборудования для перевода электропогрузчиков на кабельное питание от промышленной электросети.

101. Директор по логистике ОАО ПКК «Весна»1. АКТ1. Механик АТС1. Начальник АТС

102. Технический директор ГК «Аист»

103. Начальник отдела логистики ГК «Аист»1. И.М. Меркульев1. A.B. Краснов