автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Разработка и исследование механизма подачи очистного комбайна с частотно-регулируемым электроприводом

Российская Академия наук

Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Институт горного дела им. A.A. Скочинского

На правах рукописи

pf Q 0&СОЛЕСНИКОВ Евгений Борисович

УДК 622.232.72

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ ОЧИСТНОГО КОМБАЙНА С ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Специальность 05.05.06. - "Горные машины"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Институте горного дела им. A.A. Скочинскогс и Новомосковском институте РХТУ им Д. И. Менделеева

Научный руководитель -

засл. деятель науки и техники Российской федерации, Член-кор. АЕН Российской Федерации, докт.техн.наук, проф. СЕРОВ В.И.

Официальные оппоненты:

докт.техн.наук СЕМЕНЧА П.В., канд.техн.наук, доц. СУШКИН В.А.

Ведущее предприятие - АО "Тулауголь".

Автореферат разослан ¿-6-UJ/iy 1996 г.

Защита диссертации состоится 1996 г.

в^У^час. на заседании специализированного совета К-135.05.03 по адресу: 140004, г. Люберцы Московской обл., ИГД им. A.A. Скочинскогс

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совет института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, Люберцы Московской обл., ИГД им. A.A. Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета докт.техн.наук, проф.

И. Г. ИЩУК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В отраслевой научно-технической программе Мин-пэнерго России предусматривается повышение эффективности добычи угля за гт создания высокопроизводительных очистных комплексов. Одним из путей шения данной проблемы является создание и внедрение новых поколений обо-дования, в том числе механизмов подачи очистных комбайнов (ОК) с регули-емым электроприводом (ЭП).

Применяемый в настоящее время в механизмах подачи ОК гидравлический при-ц обладает рядом существенных недостатков: имеет низкую надежность и к.п.д., ебует постоянного ухода при эксплуатации и не обеспечивает заданной производи-тьности. Повышение эффективности использования привода высокопроизводи-1ьных ОК при сохранении их современной конструкции может быть обеспечено за гт создания регулируемого ЭП подачи.

Опыт применения в механизмах подачи ОК тиристорного ЭП постоянного тока казал его работоспособность и эффективность, но вместе с тем выявил присущие у недостатки, заключающиеся в больших габаритах и массе, высокой стоимости и зких динамических показателях электродвигателя (ЭД) постоянного тока. Применив в механизмах подачи ОК асинхронного частотно-регулируемого ЭП (ЧРЭП) ременного тока позволяет устранить указанные недостатки.

В работах ряда ученых исследованы и решены задачи применения ЧРЭП в об-¡промышленных механизмах, работающих в продолжительном режиме с постоян-1М или плавно меняющимся моментом сопротивления. Режим работы ЭП ОК от-сится к тяжелым и характеризуется частыми пусками и остановками, случайным менением момента сопротивления на исполнительном органе (ИО), перегрузками моменту, работой на упор. В работах по исследованию и разработке ЧРЭП гор-гх машин решались задачи устранения автоколебаний в системе перемещения, ¡еньшения перегрузок в цепи при стопорениях ИО вынесенной системы подачи СП) или струга, повышения мощности привода путем увеличения частоты питания

Однако комплексно практически не рассматривались вопросы разработки меха-зма подачи ОК с ЧРЭП и его системы управления (СУ), обеспечивающих работу ивода в вышеуказанных тяжелых режимах эксплуатации.

Поэтому, разработка и исследование механизма подачи ОК с автоматизиро-нным ЧРЭП, обеспечивающего повышение производительности и надежности мбайна за счет максимального согласования механических характеристик ИО и 1 комбайна при работе в тяжелых условиях эксплуатации является актуальной на-ной задачей.

Актуальность настоящей работы подтверждается тем, что она выполнялась в ответствии с отраслевой научно-технической программой Минтоэнерго России голь России" (проект №0-12 "Создать новое оборудование и системы электро-абжения для шахт на базе современных средств коммутации и взрывозащиты,

обеспечивающих повышение энерговооруженности и управляемости горных м; шин и рационального использования электроэнергии").

Целью работы является установление закономерностей формирования м ханических характеристик и нагрузок механизма подачи ОК с однодвигател ным и двухдвигательным ЧРЭП в тяжелых условиях работы для разрабст структуры и выбора параметров ЧРЭП механизма подачи, обеспечивающего п< вышение производительности и надежности комбайна за счет более полного с< гласования механических характеристик ИО и ЭП ОК.

Идея работы заключается в том, что снижение динамических нагрузок повышение эффективности использования установленной мощности ЭП О может быть достигнуто путем формирования механических характеристик мех; низма подачи с однодвигательным и двухдвигательным ЧРЭП с помощью выб| ра рациональной структуры и параметров СУ ЭП механизма подачи ОК.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна.

1. Метод исключения многократных повторных стопорных режимов м ханизма подачи ОК с ЧРЭП заключающийся в том, что в случае перегруз* асинхронного двигателя (АД) подачи или резания и снижении частоты вращеш АД подачи до нуля производится реверс АД подачи с контролем тока, и при и чезновении перегрузки призводится повторный пуск АД с одновременны уменьшением интенсивности изменения частоты, кроме того, определяется фа] тическое число реверсов и повторных пусков при минимальной интенсивное! изменения частоты и при превышении фактического числа реверсов заданно! значения производится отключение ЭП комбайна.

2. Снижение максимальных значений моментов в трансмиссии механиз!» подачи ОК, ограничение момента АД и тока АД и ПЧ может быть достигну! путем формирования экскаваторной характеристики (ЭХ) ЧРЭП с переводо АД на участке ограничения момента в генераторный режим.

3. Методика расчета механических характеристик механизма подачи ОК одно и двухдвигательным ЧРЭП с предложенным законом частотного управл ния (E/f)n.3=const, отличающаяся учетом явления вытеснения тока в роторе насыщения магнитной цепи АД, параметров шахтной сети, двухзонного per; лирования магнитного потока АД, ограничения выходного напряжения ПЧ позволяющая производить расчет механических характеристик во всем рабоче диапазоне частот выходного напряжения ПЧ 2-70 Гц.

4. Зависимости коэффициента неравномерности нагружения двухдвиг; тельного механизма подачи ОК с ЧРЭП от величины нагрузки, частоты ш тающего напряжения ПЧ и параметров кабельной линии и АД и зависимое! коэффициентов передачи структурных схем, реализующих ЭХ механизма под; чи ОК с ЧРЭП, от выходной частоты ПЧ, коэффициента отсечки и кратное! момента.

5. Установлены граничные значения жесткостей трансмиссий приводов m дачи и резания, при которых синтез регулятора нагрузки АД резания возможт

оизводить без учета динамических свойств трансмиссий, что отражено в раз-ботанной методике синтеза регулятора нагрузки.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекоменда-н подтверждается корректным использованием теории электромеханических стем (ЭМС), электрических машин, ЭП и автоматического управления, апро-рованных методов измерения параметров, методов математического модели-вания процессов в ЭМС комбайна на цифровых вычислительных машинах; овлетворительной сходимостью результатов теоретических и эксперименталь-IX исследований (расхождение результатов не превышает 10-15% при довери-пьной вероятности 0,9), положительным опытом эксплуатации эксперимен-льного образца механизма подачи с ЧРЭП комбайна КШ1КГУЭ в производ-венных условиях.

Значение работы. Научное значение работы заключается в разработке медов ограничения динамических нагрузок в трансмиссии механизма подачи ОК исключения многократных стопорных режимов механизма подачи, методов нтеза регулятора нагрузки ЭП ОК и расчета механических характеристик ме-низма подачи ОК с одно и двухдвигательным ЧРЭП, установлении зависимо-гй коэффициентов передачи структурных схем, реализующих ЭХ в ЧРЭП ме-низма подачи, от заданных параметров ЭМС ЭП комбайна, установлении за-симостей коэффициента неравномерности нагружения двухдвигательного 3ЭП механизма подачи от величины нагрузки и частоты выходного напряже-я ПЧ.

Практическое значение работы заключается в разработке механизма подачи

< с ЧРЭП с СУ, обеспечивающей режим стабилизации нагрузки АД резания

< и режим стабилизации скорости подачи ОК с автоматическим переходом из ;ного режима в другой, а также согласование механических характеристик ИО

< и ЭП в режимах перегрузки и стопорения; структурных и принципиаль-

IX схем формирования экскаваторных характеристик ЭП; структурной и прин-[пиальной схемы регулятора нагрузки АД резания с перестраиваемым коэф-щиентом усиления, что позволило снизить динамические нагрузки в транс-1ссии, повысить надежность и производительность комбайна.

Реализация выводов и рекомендаций работы. На основе технических реше-!Й и рекомендаций, изложенных в диссертации, разработан механизм подачи [С КИП КГУ с ЧРЭП, экспериментальный образец которого испытан в меха-[зированном комплексе МК75Б на шахте "16-я Липковская" АО "Тулауголь".

Результаты разработки внедрены в рабочих проектах механизмов подачи

X КШ1КГУ и К10ПМ с ЧРЭП.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались научно-технических конференциях НФ МХТИ и НФ РХТУ (Новомосковск, 82, 1984, 1986, 1993 г.г.), Всесоюзной научно-технической конференции 'остояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново, 1987 г.),

семинаре "Применение в промышленности ЭП на перспективной элементно базе" (Москва, 1992 г.), II-ом международном симпозиуме "Автоматическ< управление энергетическими объектами ограниченной мощности" (С-т Пете] бург, 1992г.), Международной межвузовской конференции "Совершенств! вание конструкции, технологии изготовления и эксплуатации горного обор; дования и средств автоматизации" (Москва, 1992 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 21 научнг работа, получено 9 патентов и одно положительное решение на изобретение

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключени изложенных на 153 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, таблицы, список использованных источников из 121 наименования и 5 прил! жений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современное горное производство характеризуется ростом энергов< оруженности, повышением мощности и производительности современнь очистных комплексов. Интенсификация процессов добычи угля неразрывг связана с задачей разработки и эффективного использования новых систе регулируемого привода механизма подачи (МП) ОК. Новые возможности решении указанной задачи открывает применение в МП тиристорного регул! руемого ЭП.

Большой вклад в разработку принципов управления ОК и создание ti ристорных ЭП внесли отечественные ученые Баккал Р.А., Бырька Б.Ф., Док кин А.В., Краус Э.Г., Парфенов В.В., Серов В.И., Траубе Е.С., Тулин В.С Шапаренко Д.Н., Штединг С.А. и др. Выполненный автором анализ состояв вопроса показал, что наиболее полно удовлетворяет требованиям, предъя: ляемым к приводу МП ОК, частотно-регулируемый асинхронный ЭП.

В работе показано, что недостаточно исследованными и требующими р шения являются вопросы синтеза и выбора рациональных параметров С МП ОК с ЧРЭП, обеспечивающей согласование механических характернее ИО и ЭП МП в режимах перегрузки и стопорения; оценки неравномерное! нагружения и выбора закона частотного управления двухдвигательного Э МП; исследования динамических процессов в МП с системой ПЧ-АД с учето динамических параметров трансмиссии, конструктивных особенностей взр1 возащищенных двигателей, насыщения магнитной цепи АД и ПЧ с автоно» ным инвертором напряжения (АИН).

Для исследования статических и динамических процессов в МП ОК ЧРЭП разработана математическая модель ЭМС комбайна. На рис. 1 привел на расчетная структурная схема ЭМС ОК с ЧРЭП МП. ЭМС ОК (рис.1) вклк чает ЧРЭП МП, состоящий в общем случае из двух АД подачи АДП1 и АД„2, m тающихся от ПЧ на базе АИН; нерегулируемый ЭП резания, содержащий в об

Гуд Ю)Р Яф ¿и

из

\Х4рг,Ърг,Хтр1, А Ара, ¡~ п а '

-1 Ртрг , Хярг, Ргрг ¡1 ^ ^ Сгр^г.р,

Рис.1. Расчетная структурная схема ЭМС ОК с ЧРЭП механизма подачи

щем случае два двигателя АДР1 и АДР2, питающихся от сети; трансмиса приводов Tni, Тп2 и Tpi, ТР2 соответственно подачи и резания; фильтр низко частоты (ФНЧ) и СУ ЧРЭП МП.

При моделировании АД приняты следующие допущения: намагничивающ] силы обмоток АД распределены синусоидально вдоль окружности воздушно] зазора; потери в стали статора и ротора отсутствуют; обмотки статора и рото] строго симметричны со сдвигом осей обмоток на 120°; насыщение магнитной ц пи отсутствует. Уравнения модели АД в координатной системе, вращающей! со скоростью магнитного поля статора coi, имеют вид:

d4Vdt = uia+Riiia +coi4V Ч

cMydt = - Ri iip - 0Э1Ч\; dHVdt = -R2 По. + soi^p; d4ydt = -R2Í2p- saiW^;

lia = ú ( ^a - / Ll )/( U Ll ~ Lm )

iip = ÚC^ip-Lm^p/LO/CLiÚ -L™); ' 1

i2a = LlC^-Lm^/LO/ÍLlÚ - Lm) ;

Í2|J = Ll ( - Lm^ip/LiX Ll l'2 - LÍO; s = (o i - pnco)/co i; M = 3pn(^iai,p-4',3Í,a), где dvf ia , d^ip, d"f2a , ёЧ'гр - проекции результирующих векторов потокосцепл ний соответственно статора и ротора АД на комплексной плоскости; uia - пр екция результирующего вектора напряжения статора на ось действительных ч сел; Ri , R2 , Li , L2, Lm - параметры Т-образной схемы замещения АД; iia , ii( i2a, Í2p - проекции результирующих векторов токов соответственно статора и р тора АД на комплексной плоскости; s - скольжение АД; рп - число пар полюс« АД; ш - угловая частота вращения ротора АД.

Для ротора АД, выполненного с глубоким пазом, приведенные сопроти ления ротора определялись по уравнениям:

R2 = Rin + Rzn £ (sh2c, + sin2^)/(sh24 - eos 2^); X2 = Х2л + 3X'2n(sh2^ - sin24)/[24(sh24 - cos20]; где R2n, Хгл, R2n, Хгп -соответственно активное и индуктивное сопротивлеш лобовой и пазовой части обмотки ротора; £ = h^HjbcrCOiS/^pbn - коэффициен зависящий от свойств материала обмотки, геометрических размеров и частот тока в роторе.

При моделировании АД учитывалось явление насыщения стали по гла ному пути магнитного потока путем расчета зависимости Lm= fO^m), получение из универсальной статической кривой намагничивания АД.

Уравнения математической модели ПЧ со звеном постоянного тока зап] сывались в виде:

с1ис/<11 = ¡с/Сф!

= (ик - ¡к Яф)/Ьф;

е Ьф , Яф - соответственно индуктивность и активное сопротивление дросселя шьтра; Сф - емкость конденсатора фильтра; Ев - э.д.с. выпрямителя; ик, ис -новенные значения напряжений соответственно на катушке и конденсаторе шьтра; !к, ¡с - мгновенные значения токов соответственно через катушку и кон-нсатор фильтра; ¡и - мгновенное значение тока инвертора; иу - сигнал управ-ния; Кв - коэффициент передачи управляемого выпрямителя (УВ).

Механическая часть приводов МП и резания ОК представлялась расчетной ухмассовой системой с упругой связью с учетом демпфирования колебаний. В ждой двухмассовой схеме (рис.1) все инерционные элементы механической сти ЭМС, например, ЧРЭП подачи, приведены к вращательной массе ротора Ц подачи и описывались следующими уравнениями:

е Мадп - электромагнитный момент АД подачи; .1адп - момент инерции ротора Ц подачи; шадп - угловая частота вращения ротора АД подачи; Мок - приве-нный момент сопротивления ОК; .Ток - приведенный момент инерции ОК; соок 1риведенная угловая частота вращения ОК; Мт.п - приведенный момент, воз-гкающий в трансмиссии МП; Ст.п- коэффициент жесткости трансмиссии МП; .п- коэффициент неупругого сопротивления трансмиссии МП. Механическая сть привода резания, описывается уравнениями аналогичными (4).

Нагрузки приводов подачи и резания определяются моментом на барабан->м ИО, который в детерминированном виде равен:

;е Мио - момент на ИО; т - постоянная времени стружкообразования; Кио -1эффициент, зависящий от диаметра шнека ИО, т и сопротивляемости угля рению; \\](0 - скорость подачи ОК.

Используя уравнения (1)-(4) в статике разработана методика расчета меха-[ческих характеристик МП с однодвигательным ЧРЭП, особенностью которой ляется учет насыщения магнитной цепи АД, двухзонного регулирования АД и раничения выходного напряжения ПЧ, которая позволяет произвести расчет рактеристик во всем рабочем диапазоне частот ПЧ 2-70 Гц.

С целью ограничения момента в трансмиссии МП при перегрузках и сто->рениях предложено формировать ЭХ МП с помощью СУ ЧРЭП. В работе осмотрены три предложенных варианта реализации ЭХ и для каждого из них

¿СО АДп= [М АДп - МТ.п - Рт.п АДП ~ <» (ж)]/-I АДп; <3(ЭокМ = [Мт.п _ Рт.п((ОАДп _Ш0К)_ М0К]^0К; <1Мт.пМ = Ст.п(га АДп - со ок)>

(4)

Мио = Кио

(5)

1-Т

разработана методика расчета статических ЭХ МП с ЧРЭП, которая позволяе аналитическим методом по уравнениям электромеханических характерней установить зависимости коэффициентов передачи звеньев структурных схем С от заданных значений частоты, коэффициента отсечки и кратности момента, таблице приведены механические характеристики, структурные схемы и уравн ния электромеханических характеристик для трех вариантов ЭХ.

Установлено, что при формировании ЭХ МП с ЧРЭП для вариантов с и: меняемыми в функции частоты моментами отсечки и стопорения с увеличение тока АД необходимо уменьшать частоту на выходе ПЧ по линейному закону, коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи (ООС) по току А, увеличивать с увеличением коэффициента отсечки по параболической завис] мости, а при формировании ЭХ МП с ЧРЭП с постоянными моментами отсе' ки и стопорения при увеличении частоты на выходе ПЧ необходимо увелич] вать коэффициент передачи цепи задержанной ООС по линейному закону.

Используя уравнения (1)-(3) в статике разработана методика расчета нера! номерности нагружения АД в двухдвигательном МП с ЧРЭП, отличающаж учетом частоты питающего напряжения и параметров кабельной линии и А) Применив методику для ОК с бесцепной системой подачи (БСП) и ВСП устан( влены зависимости коэффициента неравномерности (Кн) нагружения двухдвиг; тельного ЧРЭП от величины нагрузки и частоты питающего напряжения ПЧ дг четырех случаев сочетания параметров ЭП (рис.2).

Установлено, что для двухдвигательного ЧРЭП комбайнов с БСП и общи ПЧ, Кн АД уменьшается с увеличением скольжения и частоты питающего н; пряжения, при этом максимальная величина Кн составляет 1,22; для комбайнов ВСП Кн увеличивается с увеличением скольжения АД и уменьшением частот питающего напряжения, причем максимальная величина Кн составляет 1,7-1,5 при скольжениях близких к критическим.

Автором предложен метод выравнивания нагрузок АД двухдвигательно1 ЧРЭП МП с ВСП при питании АД от индивидуальных ПЧ, заключающийся изменении положения механических характеристик регулированием частоты ш тающего напряжения.

Установлено, что при выравнивании нагрузок частоты выходного напряж ния каждого ПЧ необходимо определять по уравнениям: со 11 = со 1Н (Я.1 + %г)/2Х\- <о (Я.2 - Я.0/2\\,

©12 ~ 0)|н Ц.1 + Л2)/2А.2 + <¡>0,2 - Х\)12Хг, где Ал, Хг - жесткости механических характеристик АД1 и АД2.

Показано, что предложенный метод обеспечивает выравнивание нагрузс АД в статике и динамике при регулировании частоты ПЧ в диапазоне ±(3,1 3,5)% от номинальной.

Для повышения перегрузочной способности МП с двухдвигательны ЧРЭП предложен закон частотного управления по э.д.с. наиболее загруженног АД (ЕЛ)н.з=соп51. Установлено, что применение закона позволяет повысит

Таблица

Три варианта реализации экскаваторных характеристик ЧРЭП механизма подачи

Механическая хар-ка

Структурная схема

Уравнение электромеханической характеристики

о>»

и(р-)

Миг Не

ш=Ш1к[а-(Крл/х§01?/иы-'1)/[(1 + гр)Хо]-

-К|(11-1ог)Р|(1|)]. где 1^1(10=0 при 1]51„1; Р|(11) = 1 при 11>1ОТ1.

II

( /

О.Ш \

0.8 \

ОЛ X

0,2 \

^ и

Мп Мп

е»=Ш1н[схв-(ар>/Хо01?/и?„-1)/[(1 + тр)Хо]-

- К,(1,-10Т)Н2(1|)]. где Р:(1|) = 0 при 1121ота; Р2(1|)=1 при 11>1ота;

1ота =1от1 + К2(ан_а),

III

и!

N

¡зи^

н [а - (Ир л/хо 01?/и?м -1)/[(! + Хр)Хо 1"

со -ацн^^члрт

-К3(11-1от1)Р1(11)] где Рз(1|)=0 при 1,210т,; Р3(1|) = 1 при 11>10Т1; Кз = К1[1-(а„-а)],

Рис. 2. Зависимости коэффициента Кн от скольжения б и частоты ПЧ для четырех случаев сочетания парметров ЭП (К„=М1/М2, где М] и Мг - моменты, развиваемые соотвественно АД1 и АДг)

ерегрузочную способность ЭП в сравнении с законом иссопе! в 1,2-3 раза и беспечить ее во всем рабочем диапазоне частот ПЧ не менее 2,5.

Автором разработан алгоритм управления МП с ЧРЭП и функциональная сема ЧРЭП МП, приведенная на рис.3. ЧРЭП МП выемочного комбайна со-;ржит: по два АД резания АДР1, АДРг и подачи АДп1, АДп2, подключенные ^ответственно к сети С и преобразователю частоты ПЧ; аналоговую часть си-гемы управления АЧ СУ; логическую часть системы управления ЛЧ СУ; блок ыделения э.д.с. наиболее загруженного двигателя БВЭ; датчики токов АД гзанияДТр!, ДТР2 и подачи ДТП1, ДТпг; фильтры низкой частоты ФНЧ|, 'НЧг; блоки выделения максимального сигнала БВМ1, БВМг, БВМз; одно-олярный усилитель ОУ , пороговый элемент ПЭ и сумматоры С| и Сг . АЧ У включает задатчик интенсивности ЗИ и регулятор тока (нагрузки) АД ре-1ния РТР. ЗИ содержит последовательно соединенные усилитель УС и инте-эатор И, охваченные ООС и компаратор К. РТР включает (в общем случае) ИД регулятор Р и включенный между его входом и выходом усилитель-граничитель УО.

От источника опорных сигналов в АЧ СУ поступают сигналы: заданных 1ачений скорости подачи Уп.з и тока АД резания 1Р.з; максимально разрешен-эй скорости подачи Уп шах по условиям крепления, газовыделения и т.п. АЧ У обеспечивает два режима работы ЭП: 1) стабилизация тока АД резания АДР| пи АДР2 путем изменения скорости перемещения комбайна, а значит, и тол-даны стружки; 2) поддержание заданной скорости подачи. Переход из одного гжима работы в другой происходит автоматически в соответствии со следую-;ими уравнениями, связывающими входные и выходные координаты регулятора ТР и усилителя УО:

тт(ип.з.иптах) = сопв! при

принтах)' кМ + (1/Ти,)1 А1сИ + Тд (ЦДОДИ при иВыхРТР<пнп(и Куо [ивыхРТР - тт(ип.3. ип ТЛЫХРТР ^ тт(и'п.„илгаах);

О прии>ыхРТР < тт(ип.з,иптах).

1р.з " 1Ф1 - разность МСЖДу З&ДЭННЫМ 1р.3

и фактическим ¡оч токами АД ре-1ния; ип.з, ип тах - сигналы, пропорциональные соответственно заданной и мак-шально разрешенной скоростями подачи комбайна; к, ТИ1, Тд - коэффициент ¡иления и постоянные времени интегрирования и дифференцирования регуля->ра РТР; Куо- коэффициент усиления усилителя-ограничителя УО; 11выхРТР, выхуо- выходные напряжения соответственно регулятора РТР и усилителя УО.

Получены уравнения связи входных и выходных параметров ЗИ, опреде-1емые его функциональным назначением и логикой работы СУ:

ивыхртр -

и выхУО -

ы

Рис.3. Функциональная схема ЧРЭП механизма подачи

Ubx зи при ивхзи = const; ивыхЗИ = (Uor t)/T„2 при

h(t)(U„3H(i-i>-U„3Hi)'t0,t = 0...t1, ieti = [(UBx3H(i-i)-UBX3Hi)T„2]/Uor ; иВых зи, Ubx зи - соответственно выходное и шдное напряжения ЗИ; UBx3H(i-i), UBx3Hi - соответственно предыдущее и на-гоящее значения напряжения задания на входе ЗИ; tt - продолжительность пе-гходного процесса при изменении задания на входе ЗИ; Uor - напряжение огра-ячения на выходе усилителя УС задатчика ЗИ, равное напряжению Una на вы-эде ПЭ;

fl, если t< t<t,; h(t) = \ 1 [О, если t>t,.

Напряжение на входе ЗИ:

иВхзи = ип.з~ Uoy = ип.з- Коу дп. ie Коу - коэффициент усиления ОУ; Ai i = ior - ¡02 - рассогласование тока отсечки т и фактического тока i®2 после фильтра ФНЧг в сумматоре С2.

Автором предложен метод исключения повторных стопорных режимов МП К с ЧРЭП, заключающийся в том, что в случае перегрузки АД МП и снижении астоты вращения АД до нуля производится реверс АД с контролем его тока, и ри исчезновении перегрузки производится повторный пуск АД с одновремен-ым уменьшением интенсивности изменения частоты ПЧ, кроме того, опреде-яется фактическое число реверсов и повторных пусков при минимальной ин-гнсивности изменения частоты ПЧ и при превышении фактического числа рейсов заданного значения производится отключение ЭП, что позволяет повысь надежность и производительность ОК. Предложенный метод реализован в Ч СУ, основу которой составляет операционный блок, выполненный в виде зтомата Мура. Функциональная схема операционного блока JI4 СУ включает эгику переключений, блок памяти и выходную логику. В результате синтеза ЛЧ У получены логические уравнения, по которым была построена ее принци-иальная схема.

Структура СУ ЭП ОК (рис.1) включает систему автоматического регулиро-1ния (САР) ЧРЭП подачи, объектом управления которой являются ПЧ и АД одачи и регулятор РТР, объектом управления которого являются ЧРЭП пода-и, ИО комбайна, взаимодействующий с забоем, АД резания и механическая зсть ЭМС ОК.

В результате синтеза САР ЧРЭП МП получены передаточные функции ре-даггоров тока и напряжения (э.д.с.) ПЧ ЧРЭП, которые обеспечивают переход-ый процесс, соответствующий техническому оптимуму, и представляют собой И-регуляторы.

Из уравнений математической модели (1)-(5) получена передаточная функ-ия объекта регулирования РТР, с учетом динамических свойств трансмиссий

приводов подачи и резания, которая представлена набором последовательно сое диненных звеньев первого и второго порядка. В связи с этим синтез РТР произве ден по разработанной методике, основанной на использовании логарифмически: амплитудно-частотных (ЛАЧХ) и фазо-частотных (ЛФЧХ) характеристик. Мето дика применима в том случае, если коэффициенты жесткости трансмиссий приво дов подачи и резания удовлетворяют граничным значениям, определяемым П1 уравнению:

Стр — *^С02 '

где I, Стр - приведенные значения соответственно момента инерции второй мае« и коэффициента жесткости трансмиссии; сог - частота сопряжения передаточно: функции АД резания.

В результате расчета РТР по разработанной методике для МП с ЧРЭП 01 КШ1КГУ получены параметры оптимального ПИД-регулятора.

В результате исследования на модели САР тока АД резания установленс что при постоянном коэффициенте усиления РТР с уменьшением крепости угля увеличением сигнала задания быстродействие САР по управляющему воздействиь уменьшается. Неучет тока холостого хода АД резания при расчете коэффициент зарубаемости ИО ОК приводит к снижению быстродействия САР тока АД резани на 10-40% при работе ОК на слабых углях.

В связи с этим автором разработан регулятор тока АД резания с изменяемы] коэффициентом усиления, отличающийся тем, что при вычислении коэффициент зарубаемости учитывается ток холостого хода АД резания, что позволило пс высить точность стабилизации динамических свойств САР тока АД резания пр изменении крепости угля.

Для снижения динамических моментов в трансмиссиях привода ОК с БС] при стопорении звездочки МП или ИО привода резания автором предложено пр формировании ЭХ ЧРЭП МП уменьшением частоты на выходе ПЧ производит рекуперацию электрической энергии АД подачи, работающего в генераторно! режиме, в питающую сеть. С этой целью в УВ ПЧ используется дополнительны тиристорный мост, работающий в режиме инвертора. При этом создается то| мозной момент АД, который ограничивает реализацию запаса кинетической эне]: гии вращающихся масс в трансмиссии МП.

При исследовании динамики режима жесткого стопорения звездочки МП БСП уравнения (1)-(4) были дополнены уравнениями механической части МП учетом динамических процессов в препятствии:

с1со дд/<11 = [М ад ~ М тр ~ Ртр (а> АДп " ю ок)1 /1 АДп; (Зшок/^ = [Мтр - Мок - Мпр - Ртр (со АДп -юок) - РпрШтр]/1о 5 аМтр/Л; = СТр(соок_<вПр); с!Мпр/^ = Спр (о ОК - со пр). где Мад - электромагнитный момент АД подачи; Лад - момент инерции ротор АД; шад - угловая частота вращения ротора АД; Мок - приведенный момент

^противления ОК; ,1ок - приведенный момент инерции ОК; шок - приведенная гловая частота вращения ОК; МТр, МПр - приведенные моменты, возникающие ^ответственно в трансмиссии МП и в препятствии; СТр, СПр - коэффициенты есткости соответственно трансмиссии МП и препятствия; ртр, рПр - коэффици-1ты неупругого сопротивления соответственно трансмиссии МП и препятствия.

Исследования динамики стопорения проводились для МП с ЧРЭП ОК :Ш1КГУ. На рис.4 приведены полученные зависимости относительных величин 1ад, МТр, Мпр, 1ад от коэффициента жесткости препятствия СпР в пределах 10 -ЭПН

•м и частоты ПЧ а = 0,2-1,4 (Г =10-70 Гц) для ЭП без формирования ЭХ и формированием ЭХ.

го 8

Млр, Игр

Рис.4. Зависимости Мдд, Мтр. МпР , 1дд от коэффициента жесткости препятствия СПр и частоты ПЧ а

Анализ полученных зависимостей показал, что при стопорении звездочки СП с ЧРЭП без формирования ЭХ относительные величины максимального омента АД достигают 3,6-4,0, момента в трансмиссии - 5,3-6,7, тока АД и ПЧ 5,7-6,0. Применение ЧРЭП МП с формированием ЭХ и переводом АД в генера-эрный режим позволяет уменьшить максимальные значения: момента в рансмиссии на 15-21%; момента АД - на 20-67%; тока АД и ПЧ - на 21-73%. С величением жесткости препятствия от 102 до 106 Н-м относительные макси-альные значения тока и момента АД практически не изменяются, а моменты в репятствии и трансмиссии увеличиваются соответственно с 0,5 до 49 и с 5,3 М) до 6,6(5,4) для ЧРЭП без формирования ЭХ (ЧРЭП с ЭХ). Применение

ЧРЭП МП с ЭХ позволило при стопорении ИО МП ОК ограничить относительные максимальные значения тока АД и ПЧ на уровне 1,2-1,6 и момента А; на уровне 0,9-1,2 во всем рабочем диапазоне частот ПЧ.

На основе теоретических исследований был разработан рабочий проект изготовлен экспериментальный образец МП с однодвигательным ЧРЭП и С"! ОК КШ1КГУ, мощностью 30 кВт.

Стендовые и шахтные испытания экспериментального образца МП О] КШ1КГУ показали, что параметры тяговых характеристик МП соответствую проектным и предъявляемым требованиям. Максимальная величина полезног тягового усилия МП при продолжительном режиме работы составила 275 кН, с учетом потерь в редукторе и цевочном зацеплении БСП при перемещени комбайна - 300 кН. В рабочем диапазоне частот 2-70 Гц МП с ЧРЭП обеспечь вал скорость подачи соответственно 0,1-10,2 м/мин. Испытания подтвердил правильность выбора структур и параметров СУ ПЧ-АД и РТР, которые обес печивают устойчивость САР ПЧ-АД и требуемые показатели качества переход: ных процессов. Диаграммы работы МП ОК с ЧРЭП, полученные на шахте "К ая Липковская" представлены на рис.5.

1п,А 1р,А Уп,и/тн

еа ■

40

го-

юо

50-

ю ■ -

5-

1р.н

Упта*

1п.н

о г,о а,о

Рис. 5. Диаграммы работы механизма подачи ОК с ЧРЭП

Результаты научных исследований и разработок диссертации внедрены МП с ЧРЭП ОК КШ1КГУ мощностью 30 кВт, испытанном в механизированно комплексе МК75Б на шахте "16-ая Липковская" АО "Тулауголь" и внедрены рабочем проекте МП с двухдвигательным ЧРЭП комбайна К10ПМ мощность] 60 кВт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи 1зработки механизма подачи очистного комбайна с автоматизированным ЧРЭП, »зволяющего повысить надежность и производительность комбайна за счет обесценил максимального согласования механических характеристик исполнительно органа и электропривода комбайна, ограничения динамических нагрузок в •ансмиссии при перегрузках и стопорениях и сокращения времени проработки 1ердых включений путем исключения повторных стопорных режимов.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили ;елать следующие выводы:

1. Математическая модель ЭМС ОК с МП с ЧРЭП отличается тем, что учи-.1вает динамические свойства трансмиссий приводов подачи и резания, пред-авленных двухмассовыми системами, с учетом диссипативных свойств, насы-ения магнитной цепи АД, двухзонного регулирования магнитного потока АД и ■раничения выходного напряжения ПЧ, на основе которой разработаны мето-1ки расчета механических характеристик МП с однодвигательным и двухдви-тельным ЧРЭП и коэффициентов неравномерности нагружения двухдвига-льного ЧРЭП, и позволяет более полно исследовать динамические процессы в [П.

2. Коэффициент неравномерности нагружения АД МП ОК с двухдвигатель-.1М ЧРЭП при питании АД от общего ПЧ увеличивается с увеличением нагруз-I (скольжения) ЭП и уменьшением частоты на выходе ПЧ и при самом небла-шриятном сочетании параметров АД и питающей сети может достигать 1,2288.

3. Предложенный закон управления МП с многодвигательным ЧРЭП отмается тем, что формирование механических характеристик производится при >ддержании постоянным отношения э.д.с. к частоте для наиболее загруженно-> АД, что позволяет повысить перегрузочную способность ЭП в сравнении с коном поддержания постоянства отношения напряжения к частоте в 1,2-3,0 1за и обеспечить ее во всем диапазоне частот 2-70 Гц не менее 2,5, а также ■раничить динамические нагрузки в трансмиссии комбайна безопасными вели-шами, тем самым повысить надежность ЭП.

4. Установлены граничные значения жесткостей трансмиссий приводов по-1чи и резания, при которых необходимо учитывать их динамические свойства ж синтезе РТР и показано, что вычисление коэффициента зарубаемости ИО К необходимо производить с учетом тока холостого хода АД резания, что )Зволяет повысить точность стабилизации динамических свойств САР тока АД :зания при изменении крепости угля.

5. Разработанный новый способ управления МП с ЧРЭП отличается тем, ■о в случае перегрузки АД подачи и снижении частоты вращения до нуля проводится реверс АД с контролем тока, и при исчезновении перегрузки произ-

водится повторный пуск АД с меньшей интенсивностью изменения частоть при этом определяется фактическое число реверсов и повторных пусков при мим! нимальной интенсивности и, при превышении фактического числа реверсов зг данного значения, производится отключение ЭП, что позволяет исключить мне гократные повторные стопорные режимы и повысить надежность и произвол! тельность ОК.

6. Система управления МП с ЧРЭП отличается тем, что обеспечивает авте матический переход из режима стабилизации тока АД резания в режим стабилизг ции скорости подачи при ограничении на скорость подачи, уменьшает интенеш ность изменения частоты выходного напряжения ПЧ при продавливании препя-ствия, а в случае превышения тока АД резания или подачи заданного значени производится снижение скорости подачи до нуля, отход комбайна с контролем тс ка и, при исчезновении перегрузки, повторный наезд на препятствие с меньше интенсивностью изменения частоты, что позволяет исключить повторные стопо] ные режимы и длительную работу ЭП на упор, тем самым повысить надежность производительность ЭП.

7. Снижение максимальных значений момента в трансмиссии на 15-21% ограничение относительных максимальных значений момента и тока АД на уро] не 1,2-1,6 достигается путем формирования ЭХ ЧРЭП подачи с переводом АД г участке ограничения момента в генераторный режим.

8. Основные результаты и положения диссертационной работы использов; ныпри разработке экспериментального образца МП с ЧРЭП ОК КШ1КГУ, к< торый испытан на шахте "16-ая Липковская" АО "Тулауголь", и в рабочем проект МП с ЧРЭП ОККЮПМ.

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения МП с ЧРЭП О КШ1КГУ составляет 139,6 млн. руб в ценах июня 1995 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Колесников Е.Б. Исследование механических характеристик частота« регулируемого электропривода,- М.: ВИНИТИ, Деп.№ 5810-82.- С. 89-92.

2. Бабокин Г.И., Колесников Е.Б., Лазарев А.И. Исследование неравномерн< сти нагружения частотно-управляемого асинхронного двухдвигательного электр< привода.- М.: ВИНИТИ, Деп.№ 7582-84,- С.8-11.

3. Бабокин Г.И., Колесников Е.Б. Оценка неравномерности нагружения дву; двигательного частотно-регулируемого электропривода подачи очистного кои байна,- М.: ВИНИТИ, Деп.№ 5516-85.- 12 с.

4. Колесников Е.Б. Экспериментальные исследования частотно-регулируемо1 электропривода // Динамика и функционирование электромеханических систем Тула: ТулПИ, 1986,-С.21-24.

5. Бабокин Г.И., Колесников Е.Б. Система управления частотно-регулир> емым многодвигательным асинхронным электроприводом с повышенной перегр; зочной способностью и ограничением момента,- В кн.: Состояние и перспектив

звития электротехнологии, ч,2. - Иваново: ИЭИ, 1987.- С.71.

6. Колесников Е.Б., Бабокин Г.И. Исследование и разработка устройства равления много двигательным частотно-регулируемым электроприводом.- М.: 1НИТИ, Деп. №669-В87,- С. 131-135.

7. Колесников Е.Б., Бабокин Г.И. Исследование экскаваторных характеристик стотно-регулируемого электропривода,- М.: ВИНИТИ, Деп.№669-В87.- С.89-92.

8. Колесников Е.Б., Бабокин Г.И. Формирование экскаваторных характери-ик частотно-регулируемого электропривода II Изв. вузов. Электромеханика,-87.-№ 6,- С.83-88.

9. Колесников Е.Б. Синтез трехконтурной ситемы подчиненного регулиро-ния частотно-регулируемого электропривода // Динамика и функционирование ектромеханическихсистем. -Тула: ТулПИ, 1987.-С. 12-18.

10. Бабокин Г.И., Колесников Е.Б. Оценка неравномерности нагружения ухдвигательного частотно-регулируемого электропривода выемочных машин II гектротехника,- 1988.-№ 6.- С.44-46.

11. Колесников Е.Б. Исследование и разработка регулятора нагрузки частот-'-регулируемого электропривода подачи очистного комбайна // Динамика и 'нкционирование электромеханических систем.- Тула: ТулПИ, 1989.- С. 16-19.

12. Колесников Е.Б., Бабокин Г.И., Серов JI.A., Серов В.И. Разработка алго-:тма управления частотно-регулируемым приводом подачи комбайна // Меха-зация горных работ на угольных шахтах,-Тула: ТулПИ, 1991,-С. 112-115.

13. Результаты стендовых испытаний механизма подачи комбайна КШ1КГУ ¡астотно-регулируемым электроприводом / Серов Л.А., Бабокин Г.И., Ветчин-н Д.А., Колесников Е.Б. // Механизация и автоматизация процессов добычи уг-на шахтах Подмосковного бассейна: Сб. науч. трудов / ПНИУИ.-Тула.-1991.-4-10.

14. Серов В.И., Бабокин Г.И., Колесников Е.Б. Испытания частотно-регу-руемого электропривода механизма подачи комбайна КШ1КГУ.- В кн.: Ав-матическое управление энергообъектами ограниченной мощности. - С-т Петер-рг, 1992,- С.74-75.

15. Колесников Е.Б., Бабокин Г.И., Серов В.И. Система автоматического равления проработкой твердых включений исполнительным органом выемочно-комбайна// Изв. вузов. Горный журнал.- 1992.-№ 1.-С.112-119.

16. Серов В.И., Бабокин Г.И., Колесников Е.Б. Система управления частотно-гулируемым электроприводом подачи комбайна // Изв. вузов. Горный журнал,-92.-№6,- С.93-96.

17. Серов В.И., Бабокин Г.И., Колесников Е.Б. Частотно-регулируемый элек-опривод механизма подачи очистного комбайна,- В кн.: Применение в про-ниленности электроприводов на перспективной элементной базе,- М.: ЦРДЗ, 92,- С.85.

18. Испытание частотно-регулируемого электропривода механизма подачи [емочного комбайна / Серов В.И., Щуцкий В.И., Бабокин Г.И., Колесников

Е.Б. II В кн.: Совершенствование конструкции, технологии изготовления и эк плуатации горного оборудования и средств автоматизации, ч.Ш. - М.: МГИ, 1992 С.290-292.

19. Бабокин Г.И., Колесников Е.Б. Частотно-регулируемый асинхронный эле] тропривод подачи очистного комбайна КШ1КГУ // Промышленная энергетика 1993.-№ 3.- С. 17-19.

20. Бабокин Г.И., Колесников Е.Б. Частотно-регулируемый электропривод м ханизма подачи очистного комбайна КШ1КГУ. // Труды науч.-техн. конф. Н1 РХТУ.- Новомосковск, 1993.- С.230-231.

21. Серов В.И., Бабокин Г.И., Колесников Е.Б. Результаты шахтных испытани частотно-регулируемого асинхронного электропривода механизма подачи очистног комбайна КШ1КГУ // Горный вестник.- 1993.№ 1.- С.56-60.

22. A.c. 1241389 СССР, МКИ3 Н 02 Р 1/30, 7/42. Способ частотного управлеш асинхронным электродвигателем электропривода механизма режущего инструмента Бабокин Г.И., Серов В.И., Колесников Е.Б. - Опубл. 30.06.86, Бюл. №24.

23. A.c. 1252906 СССР, МКИ3 Н 02 Р 7/74. Устройство для управления часто но-регулируемым многодвигательным электроприводом I Бабокин Г.И., Колесн] ков Е.Б. - Опубл. 23.08.86, Бюл. №31.

24. A.c. 1256126 СССР, МКИ3 Н 02 Р 7/74. Устройство для управления часто но-регулируемым многодвигательным электроприводом / Колесников Е.Б., Баб< кин Г.И. - Опубл. 07.09.86, Бюл. №33.

25. A.c. 1309245 СССР, МКИ3 Н 02 Р 7/42. Устройство для управления часто но-регулируемым электроприводом / Колесников Е.Б., Бабокин Г.И., Серов В.Е Колесников А.Б. - Опубл. 07.05.87, Бюл. №17.

26. A.c. 1344899 СССР, МКИ3 Е 21 С 35/24. Устройство автоматического per лирования скорости подачи угледобывающего комбайна / Бабокин Г.И., Колесн: ков Е.Б. - Опубл. 15.10.87, Бюл. №38.

27. A.c. 1355706 СССР, МКИ3 Е 21 С 35/24. Регулируемый электропривод угол ного комбайна / Бабокин Г.И., Колесников Е.Б.-Опубл. 30.11.87, Бюл. № 44.

28. A.c. 1624652 СССР, МКИ3 Н 02 Р 7/42. Способ частотного управления аси хронным электродвигателем электропривода механизма режущего инструмента Бабокин Г.И., Жогов A.M., Колесников Е.Б., Капустин А.П.- Опубл. 30.01.91, Бю №4..

29. A.c. 1746509 СССР, МКИ3 Н 02 Р 7/74. Устройство для управления часто но-регулируемым многодвигательным электроприводом / Лазарев А.И., Колесн ков Е.Б. - Опубл. 07.07.92, Бюл. №25.

30. A.c. 1795096 СССР, МКИ3 Е 21 С 35/24. Регулируемый электропривод угол ного комбайна / Бабокин Г.И., Колесников Е.Б., Серов, В.И., Ковалев В.Г. и щ Опубл. 15.02.93, Бюл. № 6.

31. Положительное решение по заявке №4785632/03 СССР, МКИЗ Е 21 С 35/2 Регулируемый электропривод угольного комбайна / Колесников Е.Б., Бабокин Г.!-Серов В.И., Ковалев В.Г. и др. - Заяв. 5.12.89.