автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Рациональное управление электроприводами самоходных дизель-электрических кранов

ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

РГ6 ОД

На правах рукописи

10 ЙЕН 1К5

Г

ЧАН ВАН ВАН

РАЦИОНАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ САМОХОДНЫХ ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРАНОВ.

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы , включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата техниче ких наук .

ОДЕССА- 1995

Диссертация представлена в виде рукописи.

Работа выполнена на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Одесского государственного политехнического университета.

Йаучный руководитель - доктор технических наук,

профессор

Гераспммк Ростислав Павлович

Официальные оннокс-нты :

- доктор технических наук, профессор

Вшинеискпй Леонид Впктороинч • " - кандидат технических наук,

доцент

Якозлсв Александр Владимирович.

Ведущая .организация - ¿ОАО Украинский государственный институт краностроения, г. Одесса.

Защита состоится "¿5Г" декабря 1095 г. в U час. в аудитории 115 у на заседании специализированного совета Д. 05.06.03 Одесского государственного политехнического университета.

(270044, г. Одесса, прооп. Шевченко, 1)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Одесского государственного политехнического университета.

Автореферат разослан иЩ' ноября 1995 г.

Ученый секретарь /,

специализированного совета, /"<([,,, канд. техн. наук.

О, А, Андрющенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Внедрение механизации и автоматизации в народное хозяйство немыслимо без совершенствования подъемно-транспортной техники, в частности, самоходных кранов, которые широко применяются в самых разных отраслях. Главными отличитедьньщи особенностями самоходных кранов являются универсальность, а также наличке автчлйиаиой энергетической установки, т. е. независимость их работы от внешнего источника энергии. У тяжелых самоходных крапоз, которые называются дизель-электрическими, дизель вращает один или несколько генераторов, от которых получают питание электрические двигатели постоянного тока.

В настоящее время управление крановыми механизмами осуществляется лишь воздействием .на цепь возбуждения генератора постоянного тока (системы Г-Д), Однако известно, что дизель характеризуется тем, что в зависимости от нагрузки при вполне определенной скорости вращения удельный расход топлива минимальный. Поэтому управление скоростью двигателей исполнительных механизмов, воздействуя не только на магнитный поток генератора, но и на скорость генератора (дизеля), , расширяет возможности всей крановой установки и позволяет най'Ы наиболее экономичный режим работы при выполнении данной крановой операции, Таким образом, включе-кпе диаеля п процесс управления, которое мы назовем рациональным, принципиально должно' при,, ¡ста к экономии" топлива при выполнении заданного' цикла работ. С .. учетом постоянного удорожания дизельного топлива на мировом рынке поставленная проблема, особенно применительно х Вьетнаму, .является Актуальной. 1

Цель работы и задачи исследования.

Целью диссертационнНой работы является анализ электропривода постоянного тока к дизель-генераторной ycTanoi .и самоходного щ Sita и разработка способа рационального управления механизмами крана, обеспечивающего минимальный расход дизельного топлива при максимальной производительности. Лля достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: .

- обеспечить оптимизацию работы дизель-генераторной установки При работе со скоростями исполнительных двигателей, не превышающих поминальные (Фд=* tonst);

- обеспечить оптимизацию работы дизелъ-геператорной установки при работе со скоростями исполнительных двигателей выше номинальных var); . '

- разработать замкнутую систему автоматического управления всай дизель-генераторной установки, дать методику расчета параметров отдельных элементов, скоростных характеристик дизеля; . ' •

- разработать рекомендации по управлению системой дизедь-геиератор-двигатель с учетом качества переходных процессов;

- обосновать техническую реализацию разработанного способа управления; . ■ .

- оценить эффективность преложенного способа управления.

Методы исследования. .

Исследования выполнены с применением основополагающих методов. теории электропривода и теории автоматического управления , методов математического моделирования нелинейных систем с применением персональных ЭВМ. Научная новкзна."

В диссертации доказана принципиальная возможность снижения расхода дизельного топлива ври проведении крановых операции, 'х:ля регулировать скорость дизеля; г предложены алго; чтмы управления системой Г-Д при регулировании скорости дизеля и магнитного потока генератора; а также при регулировании скорости дизеля и магнитного потока иснолни-тельнопз двигателя' . ' • .

- разработана комплексная м тематическая модель, включающая дизель с регулятором скорости, генератор и исполнительный двигатель постоянного тока;

- доказана возможность оценки устойчивости И показателей качества системы по лине?лизированной модели.

Практическая ценность работы'.

Используя при управлении разработанные алгоритмы, можно снизить расход горючего , одновременно уменьшить время цикла заданных крановых операций, что в целом уменьшает себестоимость работ дизель-электрических кранов. Предложенная коррекция приводит к требуемым показателям качества переходных процессов в системе дизель-генератор-двигатель. Предложенное микропроцессорное управление электроприводом и дизелем обеспечивает удачную техническую реализацию разработанного способа управления. Апробация р^ботьт .'

Материалы диссертационной работы докладывались и , обсуждались на конференции научных сотрудников и

лрофсссорско-прстгодазатсльского состава Одесского государственного политехнического университета (1994 г.), на научно-технических конференциях с международным участием " Проблемы автоматизированного электропризода. Теория и практика" (Харьков 1994 г. , Крым 1095 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликованы 3 печатные работы.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения , четырех глав и заключения и включает 36 рисунков и 4 таблицы на 33 страницах, списка литературы из 61 наименования и приложений на 15 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖЕНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальностьдиссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, представлена общая характеристика содержания работы по главам.

В первой глазе описаны особенности самоходных кракоз, проведен анализ действующих электроприводов на дизель-электрических самоходных кранах; отмечены характерные особенности крановой дизель-генераторной установки, приведены основные Характеристики дизелей.

Во второй главе .проведена оптимизация режимов дизелъ-генераторной установки при управлении электроприводом крановых операций. Показано, что ее можно реализовать как при работе со скоростями исполнительных двигателей, не пр выдающих поминальные (когда' поток двигателя Остается номинальным), так и при работе с повышенными скоростями. Это означает, необходимость вращения дизеля (и генератора) с такой скоростью, чтобы удельный расход топлива 0(1^/Ь) был минимальным; оказалось, что эта скорость зависит от

готреблясмой мощности электроприводом и электрических потерь Рэ . По экспериментальным данным ПО "Краян" , А также зависимостям, приведенным в литературе для дизелей, в работе построены кривые 0=Г(ог, Р0) , которые были идентифицированы и получено соответствующее аналитическое выражение. -При управлении потоком генератора по заданной скорости мд и моменту нагрузки Мс легко рассчитывается Ра, а затем и тг.0Ш.-1(Рд). Последняя зависимость может быть определена решением ураа-

' - ее -

нения — = О

Ло, .

опа имеет" вид (в относительных единицах}

иг.01гг= 0,52 - 0,27 Рэ. + 0.17PV + С,09 Р3а. . (1)

По ней построена кривая 1 на рис. 1. Там же приведена зависимость G-mm" i(Pa) - кривая 2. После расчета сог.01П. легко определяется потребное значение магнитного потока генератора Фг.

Рис. 1

.повысить эффективность управления (производительность крапа ) молено, Изменяя магнитный поток двигателя при Голиженных нагрузках. Найти. гаг.опт э этом случае сложнее, так как снижение мг требует соответствующего изменения Ф, , от

которого зависят ток якоря и мощность Р3 мощности ?э как функция рабочей скорости с нагрузки Мс в относительных единицах имеет вид

Выражение для

и момента

Р3, = ав)д.Мс. +

4Ьшл„2М2с.

со г» 8dcoД*МС«."[

(2)

. Далее следует задаться зависимостью <пд=£(Мс) (рис.2). В соответствии с нею при нагрузке Мс-> р ФД=ФДН. Однако если Мс-< р, скорость (Од при снижении нагрузки должна возрастать по гиперболическому закону до максимально допустимого значения гшда к далее оставаться неизменной. Для реального крана Р=0,б5_0,8; г.=1,5.2. При этом на участке р/п<Мс< [5, Рэ=?(е>г), так как М0. юд = const, а на участке Мс< p/n , Pa=f(Mr, Мс) . Поэтому в первом случае строим одну зависимость Рэ= f(cor) - кривая 3 на рис. 1, г. для второго они строятся для разных моментов (кривая 4 - для Мс>= 0,3; 5 - для Мс-=0,2). Точки пересечения этих кривых (3,4, 5 и т. д.) •

М.

Рис: 'L

с кривой 1 - 01= !(Р0) дают оптимальные значения скорости дизеля и соответствующие значения Р, при работе с - этими нагрузками. Далее с помощью кривой 2 (рис. 1) можно ка&ти часовой расход топлива дизеля при работе в соотвествующем режиме. После определения ймГ находятся год и Фд.

' На основании этих разработок предложены алгоритмы управления скоростью саг и потоком Фг (при работе с низкими скоростями Механизмов , а также при операциях с номинальной скоростью, но если Мс.>р , либо <аг и Фд ( когда нагрузка Мс.<р ) при следующих ограничениях: . '

• Юг^ иггоах-

1- (3)

Б третьей главе исследуются статические и динамические режимы системы оптимального управления. Разработан электрический регулятор скорости дизеля с датчиком "скорости и , гадающим сига." лом в виде напряжения. Исполнительным устройством является алектромагнит, якорь которого связан с рейкой топливного насоса (РТН). Дана . методика расчета частичных • скоростных характеристик дизеля в замкнутой системе, Когда обеспечивается требуемый . статизм 5._8 % Получены выражения для расчета напряжения задания изд и коэффициента усиления системы для получения характеристики с заданной скоростью и " определс иным .статизмом. Выполнено математическое описание., дизель-генераторной установки, структурная схема регулирования скорости дизеля изображена на рис. 3. Система нелинейна, так как характеристика усилителя У - с ограничением, электромагнит включает квадратор, а дизель характеризуется переменными коэффициентами, которые зависят от скорости. По ней удобно моделировать замкнутую систему, входом которой - является напряжение изд, задавваемое микропроцессором, а выходкой координатой - скорость дизеля и генератора <вР Последняя величина, наряду с напряжением на обмотках возбуждения генератора ивг и двигателя ивд, является входной при управлении системой Г-Д.

Предварительное совместное, моделирование системы регулирования скоростью дизеля (рис. 3) и системы Г-Д. показало,

Фг 5 Фга

«

Рис. з .

■1II.) при реальных параметрах и кекс-торы*. режимах наступают автоколебания, вызванные неустойчивостью ¿идеализированной замкнутой системы рис. '3 и . насыщением .усилителя У. Линеаризируя систему в ''малом", т- е. полагая ее работу в линейной зоне характеристики усилителя, и па линейном участке квадратичной зависимости и считая коэффициенты дизеля максимальными, предварительно можно исследовать ее методами линейной ТАУ, Характеристическое- управление за;.пш>гой системы •' ' -

тэм. т2пр . р4 + (Т2пр+Т8К. Т). р3 + (Там +Т) р2 +р + к =0, • (4)

по условиям -устойчивости найдены границы результирущегО коэффициента усиления ' •

' . тЫр + тЭ!,п:« + т)]- '

к < -1—т---—1 , (э)

• • . (Т^ + ТзиТ)2

и постояннрй времени электромагнит»

Том< -:- 1 кТ-1----;- . ; (6)

где Т„р - постоянная времени колебательного звена "сердечник', электромагнита - пружина", .

Т = 2.Т1(р4 » причем принято £,«*0,7. В реальных услозиях значения к и' Тэм не удовлетворяют неравенствам (5) и (6). Однако снижение к приводит к росту статизма, что недопустимо. Цоэтому предлагается коррекция, когда электромагнит (с усилителем У) охватывается положительной обратной связью, в цепь которой включается форсирующее звено на базе. операциг.тюго усилителя с передаточной функцией; . .

Нк(р) - Ткр +.1 : . (7)

Необходимое значение постоянной времени ТК может быть определено по формуле

кг •

в которой к * произведение коэффициентов усиления усилителя, элрктромашита и датчика тока,

Т, - желаемая постоянная времени, получаемая на >енойашш (6). ' '

После, введения коррекции проводилось моделирование зазлячных переходных процессов. На рис. 4 для примера показан фоцесс роста скорости дизеля с»г при полной .нагрузке Мсдатх геполнктельного двигателя сод . Все переходные процессы для' хорости заканчивается в течение 1. .1,5 б а перерегулирование < 15 %

0,75 „

РИС. 4

В четвертой главе описана реализация системы Г-Д с микропроцессорным управлением, а' также показана эффективность оптимального управления крановыми операциями.

В зависимости от поставленной цели конкретной крановой операции крановщик задает направление и скорость исполнительного двигателя. Нагрузка механизме, (и дизеля) определяется датчиком тока якоря в установившемся режиме при номинальном Потоке • двигателя. Скорость дизеля, устанавливаемая. в зависимости от первых двух показателей, поддерживается регулятором скорости, причем значение скорости в каждый момент измеряется датчиком скорости. Для реализации такого алгоритма наиболее целесообразной представляется система управления на базе программируемых микропроцессорных устройств. ; - .

Задача микропроцессора на самоходном кране состоит в следующем: получав. и обработав информацию априорную (от командоагшарата) и рабочую (от датчиков тока якоря и скорости дизеля), сформировать управляющие сигналы скорости дизеля (и.,д), магнитные потоки генератора (IIаг) и двигателя(ивд).

Разработана соответствующая . принципиальная схема микропроцессорного управления (рис. 5). На ней ТВГ и ТВД -тиристорныс возбудители генератора и двигателя соответственно.' Микроконтроллер МК включает центральный процессор на базе микросхемы серии КРШО, ПЗУ, ОЗУ, периферийные, устройства, а также по три порта входа и выхода, связывающие входные и выходные сигналы с процессором через дешифраторы, АЦП и ЦАП. '

. Для определения экономической эффективности предложенной системы оптимального управления были проведены расчеты расхода топлива и длительность операции различных типовых циклов с разным временем вспомогательных операций, при наличии операции подъема с_ пониженной скоростью или отсутствии ее и т. п. Расчеты подвердили, что в зависимости от веса транспортируемого груза. И времени вспомогательных операций .(строповка и пр.) экономия горючего при использовании предложенного рационального управления может колебаться в пределах 10-25%, а производительность кряна повыситься на 4.-10%. '

Основные результаты работы ■ ;

В. диссертации на основании анализа функционирования электропривода самоход* "Того дизель-электрического крана разработана система оптимального управления крановыми операциями. Она в зависимости от скорости и нагрузки исполнительного м_ха~

Рис. 5

низма осуществляет регулирование скорости дизеля и потока генератора или потока двигателя, что Позволяет существенно снизить расход дизельного топлива и уменьшить длительность цикла при производстве заданных Крансвых операций.

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1 На основании анализа свойств дизеля и его характеристик обоснована возможность наиболее экономичного управления системой Г-Д , когда одновременно рехулируется скорость дизеля, Нриводяи-его в движении генератор.

2 Разработаны алгоритмы управления дизель-генераторной установкой и системой Г-Д , в которых используются выведенные

■ формулы и построенные Номограммы, позволяющие работать при оптимальной скорости' дизеля, когда расход топлива - наименьший. ■'•

. 3 Предложена система автоматического управления ' ско-

■ ростью дизеля, дана методика определения параметров всех элементов. Обоснована возможность автоколебаний системы при реа-

• лкзацпи стаТизма 5.6%. •

4 Доказана возможность линеаризации системы автоматического управления и аналийа ее на устойчивость! Ка этом оснс-. вании получаны выражения критических коэффициентов усиления и постоянных времени отдельных, звеньев. Подтверждена целесообразность введения коррекции компенсирующей влияние электромагнитной инерционности электромагнита.

5 Разработана математическая модель системы управления дизеле)»! и системы Г-Д с учетом коррекции. Проведенное комплексное моделирование убедило, что' переходные процессы скорости дизеля и скорости исполнительного двигателя удовлетворяют требуемым показателям качества: перерегулирование не более 15%, а их длительность не превышает 1..1.о б.

6 Доказана целесообразность управления крановыми операциями с помощью микропроцессора, определены требования, к основным элементам системы микропроцессорного "ппавлении.

. 7 Проведенный экономический расчет подтвердил экономическую целесообразность предложенного метода оптимального управления : экономия дкззльпого топлива за -иповой цикл крановых операций составлает 10- 25%, а производительность повышается на 4-107с- • ■ ,

Таким образом, разработанная система рационального управления ди-.егь-генер тарной установкой самоходкого крана позволяет существенно снизить расход топлива, повысить

производительноетъ крановых операций, увеличить срок службы дизеля благодаря улучшению режимов его работы.

Аналогичная система микропроцессорного управления может быть разработана также для самоходных кранов с гидравлическим приводом рабочих механизмов.

Содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Герасимяк Р. П., Чаи Ван Ван. Экономичное управление самоходным дизель-электрическим краном при выполнении тфаногых операции// Труды конференции с международным участием 4-9 октября 1994. "Проблемы автоматизирование го электропривода . Теория и практика.", - Харьков, 1994, с 150-152.

2. Герасимяк Р. П., Чан Ван Ван. Оптимальное управление электроприводом постоянного тока самоходного крапа с дизельной силовой установкой. Депонировано в ГНТБ Украины 20. 07. 1994, Д"э 1350. - УК 91.

3. Герасимяк Р. П., Чан Ван Ван. Динамика рационального управления самоходным дизель-электрическим краном// Труды конференции с международным участием, Крым. Ялта 2-7 октября 1995. "Проблемы автоматизированного электропривода.' Теория и практика." - Харьков, Основа, 1995, с 90-91.

Чан Ван Ван. "Рацюнальне управлшня електроириводами-самох1дних дизель-електричпих крашй". Дисертащя на здобуття паукового ступени кандидата тезапчннх наук да спещалыпстэт 05. 09 .03 - слектротехшчш комплекси i системи включаючи ix управлнг'.к i регулюЕашш. Одеський. державний шштехтчиий университет. Одеса, 1995.

Рсзглядаються питания глдаишеиня екс-жшчност! за рахунок аниження дизельного, najuina шд час експлуатацп крапа. Запроноповано управления , системою генератор-двигун ■ , ядШснювати не тътьки змшююч:: збудзкепня генератора, а ры улюючи одночасно шшдюеть дизеля, який обе рта с генератор. Розроблено методику розрахунку статичних характеристик дизеля з електричгош регулятором 1Пвидкост1, створена мате матична модель комплексно! системи дизель-генератор-двигуп. Моделюзання подтвердило непогану як!сть процес1з при ' змпп швидкост! дизеля чи його навантаженш. Для реал1зацн запроповапо використати мнфопроцесорну систему, управлшня. Зроблена осанка скопомУ палива та зб$льшения продукцШностг шеля переходу на запроповане управлшня. •

-16-

о

Ключов! слова: дизель -ел ектричний крал, характеристики дизеля, електропривод, дизель-гонераторпа установка, регулювання швидкоси, crijiicicTb.

Тгап Van Van

Rational control of electric drives for mobile diesel-electric cranes.

This desertation analvsos the economical effects of decreasing the diesel fuel consumption .during the operation of the crane. It is, suggested that ,the .-ntrol of the generator-motor system is effected not only by changing the field exitation of ths generator but also the speed of the diesel engine which drives the generator. A method has been formulated for the calculation of the steady state characteristics of the diesel engine with an electro-mechanical speed regulator.There is also a complex mathematical model of the diesel-generator-motor system. This model of the system showed quality transient processes. Microprocessor control is suggested for the realization of this method.Optimal control of this system shows reduction in fuel consumption and increased in productivity during the operation of the crane.

Подписано к печати 20 ноября 1995 г. Формат 60x84/16. Бумага газетная. Печать офсетная. 1,05 усл. печ. Л. ,13 уч. - изд. Л.

Тираж 100 экз. Заказ ■

Одосклй государственный политехнический унинерстэт, 270044, Одесса, просп. Шевченко, 1.