автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование электропривода хода станков шарошечного бурения по системе ТРН-АД

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ^ ^ ф д (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

, - ' ■ ■ »•

„. . - и • На правах рукописи

МАСМУДИ НЛВКЛЬ БЕН ХЕЙДИ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ' ХОДА СТАНКОВ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ ГО СИСТЕМЕ ТРН-АД

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы, включая их . - управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени-кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Московского энергетического института.

Научный руководите» - доктор технических наук, , профессор ЮОСЦЕВ В, И,

Официадьные оппоненты - доктор технических наук, профессор ЮНЬКОВ М-Г. / кандидат технических наук, доцент Мухаыедов М.А. ,

Ведудее предприятие - АО иРудоа»тоцагнка", г. Желеавогорск.

Защита состоится " 16 " июня 1994 Г» ■ № час- Ш. MKH-в аудитории Ы-214 на еаседании специализированного Оо®еуа К-053.16.06 при Московском энергетическом институте.; *

Отвыв на автореферат в двухэквешиирах, »аверевюй печатей, просим направлять по адресу; 105836, ГСЯ, Москва, Е-250, Красноказарменная уд., дом Н, Учений СоветЛШ,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЗИ.

Автореферат разослан " 18 " мая 1091 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета К-053.16.06 .

кандидат технических наук, доцент <1н.ъя1$—-Айчарова Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темя:

Анализ технической литератур« свидетельствует о том, что к электроприводам врас^нка й иедачи бурового инструмента бурс-танков предгябЛя^тся слохпый комплекс технических требований, позто»*у ойй привлекаю* основное внимание разработчиков и исследователей. ЗйеОТропривод кода не требует регулирования скорости, на Перегонах работает а продолжительном режиме, дзига-тели работают на открытом воздуге, поэтому наибольший интерес представляет прймейеше используемых йа ряде бурстанков асинхронных коротковахкнутых двигателей крано-металлургической серии С простейшей системой релейно-контакторного управления. Опыт эксплуатации бурстанков показывает, что привод хода рабо-' тает Ненадежно, и двигатели часто выходят из строя из-за повреждения изоляции обмоток вследствие <кзльшх динамических нагрузок и тепловых перегрузок. Попытка увеличения мощности ведет К ускоренному износу механического оборудования передач и Проблемы надежности не решает.

В связи с этим, ряд российских и иностранных фирм применяю* ва механизме хода привод постоянного тока по системе ТЙ*-Й К таким образом повышают н адехи ость и осуществляют унификацию систем приводов;

Однако в системе ТП-Д сохраняются недостатки, присущие Ьсеи электроприводам постоянного тока, -обусловленные наличием коллектора, низкими массо-габаритными; подавателями и высокой , стоимостью двигателя постоянного тока. Невысокие технологические Требования, предъявляемые к электроприводу хода, не оправдывают применений этой сложной сисгеш.

Применяемый на зарубежных станках гидропривод хода удов. летворйет "Требованиям, т Только при высокой культуре его производства, и требует Постоянного обслуживания.

В связи с изложенный, сохранение асинхронного электропривода, при условии повышения надежности его работы и управляемости путем применения современных электронных устройств, является актуальной задачей. Наиболее простым и надежным решением является использование тиристорньм регуляторов напряжения (система ТРИ-АД).

Цель работы: , •

Целью настоящей работы является улучшение динамических показателей электропривода хода бурового станка и повышение его надежности путем индивидуального управления напряжением на двигателях по системе ТРН-АД.

Разработки и исследования в данной работе выполнены применительно к широко используемому на карьерах России бурстанку СВШ-250. Этот станок снабжен электроприводом вращателя по системе ТП-Д мощностью 90 кВт и есинхронньм приводом хода с двумя короткоэамкнутнми двигателями мощностью 28 кВт каждый с релей-но-контакторным управлением. Привод подачи - гидравлический. • В работе были поставлены и решены следующие задачи: . 1)Разработка.и исследование электропривода хода с индивидуальным управлением напряжением на двигателях с помощью ти-' рисгорньи преобразователей ПТЭМ-1Р, обеспечивающих удобство, управления и ограничение нагрузок и потерь в двигателе при. возможных колебаниях нал, лжения питания*,; ■ : . •>>-;4 .'г '¿) Разработка аналоговой модели научаемой электромеханической системы с упругими связями и кинематическими зазорами и экспериментальное подтверждение ее адекватности исследуемому, объекту; - _ '■-.''■'"■7''

.3) Исследование на модели динамических нагрузок в передачах привода и разработка методики расчета параметров привода по заданному коэффициенту динамичности. ; » . /V

Методика проведения исследований: 77\-ч7

В работе использованы результаты теоретических, и экспериментальных исследований.. Теоретические исследования проводились на аналоговой модели, моделирующей работу привода хода одной гусеницы бурового станка СБШ-250. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде, который был собран по системе ТРН-АД. . .. 1. Научная новизна: ' .'■ . . ' • ■ ' ; .

Новизна проведенных исследований заключается в следующем: 1. Анализ динамических процессов'лри прямом пуске электропривода хода показал, что повышенная перегруеочная способность крановых двигателей и большие зазоры в . кинематической цепи определяют ударные динамические нагрузки, вызывающее ускоренный явное двигателя и механических передач, привода. .

2. На базе тиристорных преобразователей ПТЭМ-1Р разработана унифицированная система управления напряжением на двигателях с заданием в функции времени напряжения или скорости двигателя, обеспечивающая возможность ограничения ударов при выборе зазоров на любом требуемом уровне и необходимое ограничение механических нагрузок передач на остальной части процессов пуска.

3. Разработана аналоговая модель электромеханической системы привода хода, адекватность которой исследуемому объекту подтверждена на лабораторном макете системы с нагрузочным устройством по схеме ТП-Д.

4. Выполнены исследования динамических процессов электропривода хода бурстанка СБШ-250, которые подтвердили широкие возможности разработанной системы управления в отношении формирования плавных пусков и ограничения динамических наг рузок передач. На основе использования метода планирования эксперимента получены аналитические соотношения, связывающие коэффициент динамичности на разных этапах пуска с параметрами системы.

5. Разработана методика расчета параметров системы управления электроприводом по заданному коэффициенту динамичности.

• 6. Разработанная система управления используется для модернизации электропривода хода бурстанка СБШ-250 на Михайловском горно-обогатительном комбинате.'

Практическая ценность и реализация результатов работы:

Практическая ценность теоретических и экспериментальных исследований определяется сформулированными рекомендациями, обеспечивающими ограничение динамических нагрузок и тепловых потерь в формировании плавных пусков, а также ограничение потерь в двигателе при возможных колебаниях напряжения питания.

Достоверность результатов исследований подтверждена экспериментами, выполненным» на модели и на лабораторном макете.

V Практические рекомендации работы по улучшению показателей изучаемого привода используются при модернизации электропривода хода бурстанка СНВ-250 на Михайловском горно-обогатительном комбинате.

Апробация работы: .

Научные исследования диссертационной работы докладывались

и обсуждались на семинаре и заседании ка&едры АЭП МЭИ 11 января 1994 года. ' , ,• Публикации: ; ' По результатам проведенных исследований опубликованы 2 печатные работы. . Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав,' заключения, списка литера1Уры иа 80 наименований, содержит основного текста, 5 4 рисунков, § таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗОТЫ '

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы вадами и цель исследования, показаны научная новизна полу-' чеиных результатов и их практическая ценность. *

В первой главе дано краткое описание процесса бурения главных приводов буровод. станка и режимов работы. Подчеркнуты тяжелые условия работы привода хода и отмечены основные проб- ' лемы в эксплуатации, на основании которых был сформулирован комплекс требований, предъявляемых к электроприводу хода Сурового станка: " . •

1) Высокая плавность процессов пуска, надежное ограничение ускорений при и после выбора аазсра допустимыми значениями; . •

2) Ограничение динамических упругих колебаний и ударных нагрузок в механической части электропривода хода;

- 3) Ограничение потерь в двигателе при воеможных повышениях напряжения питания сверх номинального;

4) Необходимость оперативного реверсирования с предварительной остановкой под действием механического тормоза после отключения двигателя, после чего осуществляется пуск в обратную сторону; '

б) Надежность, приспособленность к тяжелым условиям эксплуатации системы электропривода хода и его элементов, отсутствие необходимости постоянного и квалифицированного техухода и исключение простоев стакка при отказах электроники. . ' . -.

Собранный обаор применяемых' систем электропривода главных механизмов бурстанков, в том числе механизма хода, в России и

за рубежом представлен в табл.1.2. Ее анализ показывает, что иностранные фирмы стремятся к унификации приводов, а российские предприятия больше склоняются к простоте и низкой стоимости приводов, особенно для хода.

Табл. 1.2 •

Станок, фирма-изготовитель (страна) Главные приводы механизмов

. вращения подачи (подъема) хода

СВД-250 МНА-32 СБШ-250 МН СШ-320 ТП-Д Г . АД

СБШ250-55 ТИ-Д ТП-Д АД

2СБШ200-32 2СБШ-200 Г-Д с ЭМУ г АД '

№-4-55,"Мориок-Сумми-томо"(Япония) М-4,М-5 "Морион'ЧСША) Г-Д с ТВ Г(Г-Д с ТВ) Г-Д с ТВ

401? "Бюсай^ус-Ири" ТП-Д г (ТП-Д) г(ТП-Д)

60Н,61К "Бюсайрус-Ири" (ОНА) 120, Ш-130, "Гарднер-Денвер",США 613-100, "Гарднер-Денвер'', США Г-Д с ТВ Г-Д с ТВ Г (Г-Д с ТВ) Г-Д с ТВ Г-Д с ТВ Г-Д с ТВ

1Ж-12Е "Джей" (США) ТП-Д г Г

ВМ-5, Ш-7 "Ингерсоннранд" (США) г г АД

Примечание. Г-Д с ТВ - привод по системе генератор-двигатель с тирксторным возбудителем; АД - привод с асинхронным двигателем, Г - гидравлический привод, Г-Д с ЗМУ - привод по системе генератор - двигатель с электромашинным усилителем.

Также было указано, что анализ работы механизма хода электропривода буровых станков в процессе эксплуатации показывает, что применение простого асинхронного привода с релей-но-контакторннм управлением не обеспечивает требуемую надеж-

ность, что всегда подтверждали представители эксплуатации.

Данная работа имеет целью разработку регулируемого электропривода хода по системе 7РН-АД на базе унифицированных ти-ристорных преобразователей ПТЭМ- 1Р, - предназначенных для тяжелых условий эксплуатации горных машин, обеспечивающего повышение надежности работы электропривода и уменьшение износа механизма при минимальных затратах на модернизация. ' Работа посвящена решению следующих вадач:

.1) На базе тиристорных преобразователей ПТЭМ-1Р необходимо разработать схему привода хода по системе ТРИ-АД. ограничивающую динамические ударные нагрузки и увеличивающую долговеч-. ность привода и механизма в целом; ,

2) Создать аналоговую модель электромеханической системы с учетом упругих свяеей и кинематических зазоров;

3) Провести исследования на модели, позволяющие разработать оптимальный еакон управления я методику расчета параметров привода по заданному коэффициенту динамичности в" вариантах реализации* с обратной связью по напряженна или по скорости двигателя.

Во второй главе обоснован выбор ткрнсторного регулятора напряжения, рассмотрены разные варианты структуры оистеш управления, н детально описан выбранный вариант управления.

Гиристорные регуляторы напряжения, предлагаемые для привода хода бурового станка СБШ-250, должны отвечать следующим требованиям:

- быть работоспособными в весьма тяжелых условиях эксплуатации электрооборудования, обусловленных широким диапазоном изменения температуры окружающей среды (-40*- +40}, наличием вибраций, тряски, ударов, большой запыленности и повышенной влажности;

- иметь несложную схему управления тиристорами, а также конструктивные особенности, которые позволили бы контролировать неисправности и обеспечили бы возможность оперативной замены вышедшего из строя преобразователя без дополнительной подналадки; _ * . '-■

- иметь хорошие массо-габаритные показатели:

- обеспечивать унификации привода хода с главными приводами бурового станка. .:

Удовлетворить отмеченные требования можно только путем применения тирисгорных преобразователей специального экскаваторного исполнения ПТ5М-1Р, разработанных на кафедре АЭП МЭИ' . под руководством д.т.н. профессора Юаочева В.И.

Для электропривода хода целесообразно принимать ПТЗМ-1Р не только потому, что они отвечают вышеперечисленным требованиям, но и потому, что они'стоят на приводе вращения бурового станка СБШ-250 по системе ТП-Д, что позволяет осуществлять унификацию главных приводов станка, и соответственна проблема резервирования упрощается, поскольку привод хода и вращателя вместе никогда на работают, и простои машин практически исключаются.

. • вормирование переходных процессов, отвечающих предъявляв-, кш требованиям, в системе ТРН-ДД возможно в трех основных вариантах;

. 1. В разомкнутой системе управления приводом путем формирования веданного закона изменения напряжения за счет соответствующего изменения угла регулирования под действием формируемого ¿акона изменения входного сигнала СИФУ;

2. В замкнутой системе регулирования напряжения на статоре АЛ по отклонению путем формирования требуемого закона изменения .

3. В замкнутой системе регулирования скорости электропривода по отклонению путей формирования требуемой зависимости

их=т .

Наибольший интерес представляет использование второго варианта в связи с тем, что регулирование напряжения по отклонению обеспечивает, с определенной динамической точностью линеаризацию характеристики 0{ср - . где ¿¡юр - среднее за • полупериод напряжение на статоре и, как следствие, зависимости 11/1 • Важным преимуществом данного вариа-> ■ а является простота реализации — измерение напряжений не требует установки датчиков на двигателях.

Возможности системы ,в этой структуре определяет задающее устройство, обеспечивающее ограничение ударов при выборе зазоров и колебательных динамических нагрузок на' остальной части переходного процесса. Задающее устройство должно формировать в

функции времени изменение аадания напряжения из этих двух ус-Закон изменения задания напряжения показан на рис.1.

и*

У «ЗУ

: ' 'Як:''Í : ;

где Йв' - время выбора вазоров - ~6р - время разгона

Не изменяя основных рассмотренных особенностей закона управления (1), имеется возможность его улучшить в тех случаях, когда пусковые и максимальные моменты асинхронного двигателя имеют завышенные значения. Такие условия складываются в электроприводе хода бурового станка СБШ-250; пусковые и максимальные моменты двигателя МТКВ-512-8 превышает его номинальный момент в режиме S2npn -¿р- 60 мин. в 4,2 pasa, что несомненно избыточно, в связи с этим в процессе пуска"с средней и максимальной нагрузкой целесообразно ограничить напряжение значением (0,6-0,7) UjHttf Описание закона управления опирается на анализ рис. 2, задание напряжения растет по исходному вакону до значения, обеспечивающего 0,7Ц^, в момент времени задание становится постоянным до выхода двигателя до установившейся скорости, в моменты Íjz задание продолжает расти, чтобы достигнуть номинального напряжения. Таким образом, двигатель выходит при установившемся режиме на естественную характеристику.

Цзн, моле

и3 нау

В третьей главе приведена разработанная аналоговая модель изучаемой электромеханической системы по системе ТРИ-АД, . на которой была исследована динамика привода и способы ограничения Ударов (М,1 нюх) при выборе зазоров.

Моделирование позволяет для модернизации механизма хода буровых станков с предлагаемой системой электропривода опр^д?-лить и учесть динамические свойства, параметры и специфические особенности электромеханической системы, сравнить полученные результаты с динамикой применяемого в настоящее время нерегулируемого асинхронного электропривода.

На разработанной модели исследованы разные варианты управления. вариант управления с отрицательной связь» по напря-. жению и вариант управления с обратной связью по ' скорости с подчиненным контуром напряжения.

В начале пуска 9а вреш выбора зазоров первая масса, т.е. .ротор двигателя и жестко с' ним связанные элементы, накапливают кинетическую энергию: . * - .

"М«-~= (?)

л _ м-ме - - „

где £м—ускорение при выборе зазора. ^ мом!нт инерции двигателя лц^ величина-зазора

Эта энергия при ударе реализуется в дополнительных дина-

мических нагрузках передач. Моделирование позволяет сопоставить количественно динамические нагрузки передач электропривода хода при прямом включении двигателя и при плавном повышении напряжения на двигателе с помощью ТРН.

На рис.3 показана осциллограмма, снятая при прямом вклю- > чении двигателя в сеть, которая показывает, что при выборе ва- . еора лик ударного момента достигает восьмикратного номинального значения момента, что является недопустимым для надежной ' работы любого привода.

fue. 3

Это свидетельствует об остроте проблемы ограничения дина-, мических нагрузок электропривода хода-и необходимости перехода к управляемому электроприводу. ■ :'

На модели были исследованы процессы пуска при нарастании напряжения на статоре двигателя по закону:- .

.(а

Однако, с целью дальнейшего улучшения, показателей перспективного электропривода по- системе ТРН-АД исследования были продолжены в сторону оббепечения более плавного пуска, более надежного ограничения динамических нагрузок.во время протека^ , ния переходных процессов..Ряд экспериментов был осуществлен на;

модели и вел к поиску оптимального закона управления заданием напряжения (1).

В начале пуска; когда объединение двух масс не произошло. / нагрузка на валу двигателя незначительна и определяется моментом механических" потерь двигателя и передач. Это позволяет ограничить ускорение в период выбора зазоров значением, требуемым по условию ограничения динамических нагрузок привода,• путем задания' и поддержания постоянным напряжения ¿¡¡/ » -определяемого так: . *

>41 с- (4)

Осциллограммы, представленные на рис.4, сняты в ходе проведения" экспериментов при разделении процесса пуска на два 'участка: до и после выбора зазора. Они иллюстрируют этот закон при постоянной времени ' нарастания задания 7^'Хс после удара при номинальной,нагрузке и холостом ходе.

\ | и/т.4 » \ " ^...ос—и.....

- ■ • й

1 . 1 Г*

»2,'/с

-Ми, Ям лШ > ' ' . 0 О \ -Л*' ■

\:-.;,■ '- Рис * - I

Экспериментальные исследования на модели носили разнообразный и многосторонний характер, чтобы определить голень перспективности проектируемого электропривода с различными ва-" риантами управления. В связи с этим изучалась динамика привода С отрицательной связью по скорости, хсггя этот вариант при реализации вызывает • значительные трудности в'сеязи с отсутствием на объекте датчика скорости. -

- и -

В четвертой главе найдены уравнения регрессии, связывао-щие M1imcrir с влияющими на ее величину факторами," и разработана методика расчета параметров электропривода по заданному коэффициенту динамичности.

Применением метода полного факторного эксперимента ШЭ. 2 On - число факторов) определена связь между максимумом упругого момента и следующими факторами: - величина вазора, ¿цач - начальное ускорение, J?/2 - частота свободных колебаний и момент Мс • ' -н*^ (0 = 003 V- о. тге^г +

На рис.5 представлен ряд зависимостей M(?/m/v ~т -Зависимости построены по найденному уравнении регрессии (5) при различных параметров электропривода. Кривая построена при х^ = О, т.е. все факторы ,Sliz , Мс ). принимают средние значения. Кривые 2,3,4 соответствуют изменению одного фактора, соответственно, г,ри Л/§ "^ктР м "мС . сопос-

тавляя эти зависимости, можно прийти к-выводу, что при прочих равных условиях, увеличение зазора увеличивает максимальную нагрузку передач, а снижение нагрузки М и частоты свободных колебаний уменьшает ее.

. Заменяя кодированные значения факторов действующими, уравнение 5 можно преобразовать в виде Мema(i) ш .

Поскольку в ходе исследования стало видно, что возможно появление второго пика после выбора аазора в зависимости от. сочетания факторов, аналогично было определено уравнение per- . рессии, связывающее ^*mtli(2) -^(Йс,-В(г,Тз)> приД^уД^тт* где Ту - постоянное время нарастания задания. Здесь также можно ее писать виде М/глюг (¿) - А2 По заданному коэффициенту динамичности У^атпе (f) -K3(i) и и*т/г) * К<}(?) можно определить параметры, ,опре-деляющие требуемое ограничение на первом и втором этапе пуска, с помощью разработанной методики расчета. Для привода с отри- . дательной связь.« по скорости определены уравнения регрессии и указана методика расчета нужных параметров.для достижения нужного ограничения. ■ f Б пятой главе- исследовалась система ТРИ-АД на созданном

для этой цели лабораторном стенде, его параметры были заложены в модель и проведена экспериментальная проверка адекватности модели реальному объекту.

В целом результаты лабораторных исследований подтвердили работоспособность разработанной системы, которая принята заводом "Рудоавгоматика" в городе Железногорск для серийного производства. В настоящее .время завод, изготовил опытный образец Низковольтного комплектного устройства управления вращателя и хода бурового станка СБЩ-250 на базе преобразователей

Рис. ^

Основные выводы по работе:

, 1, Анализ динамических процессов при прямом пуске электропривода хода показал, что повышенная перегрузочная способность крановых двигателей и большие зазоры в кинематической .цепи определяют ударные динамические? нагрузки, вызывающие ускоренный износ двигателя и механических передач привода.

2. На 'баге тирксторных преобразователей ПГЗМ-хР разработана унифицированная система управления напряжением на .-вига-телях с заданием в функции Времени напряжении или скорости двигателя,- обеспечивающая возможность огранич?ния ударов при выборе зазоров ка любом тр<?буемэм уровне и необходимое ограничение механических нагрузок передач на остальной части процессов пуска. - •

3. Разработана аналоговая модель электромеханической сис^_ темы привода хода, адекватность которой исследуемому объекту подтверждена на лабораторном макете системы с нагрузочным устройством по схеме ТП-Д.

4. Выполнены исследования динамических процессов электропривода хода бурстанка СВВ-2Ю, которые подтвердили широкие, возможности разработанной системы управления в отношении формирования плавных пусков и ограничения динамических нагрузок передач. На основе использования метода планирования эксперимента получены аналитические соотношения, связывающие коэффициент динамичности на разных этапах пуска с параметрами системы.

б. Разработана методика расчета параметров системы управления электроприводом по заданному коэффициенту динамичности.

6. Разработанная система управления используется для модернизации электропривода хода бурстанка СБШ-250 на Михайловском горно-обогатительном комбинате.

Основные положения диссертации отражены в следующей публикации:

Масмуди Н.Б. - Анализ некоторых вариантов уг"явления систем электропривода, Москва, 1692 - 17 е. , депонировано в (ВИНИТИ) - Информзнерго - 23.11.92, N 3347-ЭН92. .

Пчмисага ^печати Л— /лл - ¿1 Л

"'Ч. л /,0__ Тира* {00 З.,к.з 434

Типография МЭМ. Красноказарменная, 13.