автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование системы двухдвигательного электропривода конвейеров для транспортировки сыпучих материалов

На правах рукописи

Тарасов Андрей Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ДВУХДВИГАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА КОНВЕЙЕРОВ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

и системы»

00505»ю* 1 6 МАЯ ¿«13

Липецк-2013

005059164

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель: Теличко Леонид Яковлевич, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Официальные оппоненты:

Калинин Вячеслав Федорович, доктор технических наук, профессор кафедры электрооборудования и автоматизации, первый проректор ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»;

Благодаров Дмитрий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированного электропривода ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Защита диссертации состоится « 31 » мая 2013 года в 1430 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, Московская 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

Автореферат разослан « 22 » апреля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с внедрением перспективных систем управления электроприводом переменного тока, как для вновь вводимых в действие, так и при модернизации существующих конвейерных линий в доменном производстве, требуется разработка и исследование надежных и энергосберегающих технологий. На данный момент наиболее распространенным типом электропривода конвейера для доставки материалов к доменной печи является нерегулируемый или регулируемый при помощи многоступенчатого реостата привод переменного тока на основе асинхронных двигателей с фазным ротором. Основными недостатками существующих систем электропривода с параметрическим управлением по цепи ротора яаляются повышенные потери электроэнергии, как в пусковых, так и в установившихся режимах. Кроме этого, наличие механических связей, обусловленных упругостью лента, является фактором, способствующим возникновению колебаний, которые при неблагоприятных условиях существенно увеличивают динамические нагрузки рабочего оборудования, что в свою очередь приводит к повреждению механизма и несущего материал элемент Электромеханическая система конвейера является сложными объектом с переменным моментом сопротивления при движении нагружаемой части упругого элемента транспортирующего груз. Устранение указанных недостатков возможно при использовании частотного управления электроприводом переменного тока на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. При этом разработка и исследование перспективных систем управления электроприводом, обеспечивающим нормальную работу конвейера в статических и динамических режимах, является актуальной задачей.

Цель работы - разработка и исследование системы управления двухдвигатель-ным электроприводом конвейеров для снижения воздействий внешних и внутренних возмущающих факторов в электромеханической системе с улучшением энергетических показателей.

Идея работы заключается в создании системы управления многодвигательным электроприводом конвейера, в состав которой включены корректирующие устройства, позволяющие минимизировать воздействие негативных факторов в электромеханической системе.

Научная новизна: разработаны математические модели, учитывающие сосредоточенный и распределены) - упругий характер механической части конвейера, отличающиеся новым математическим представлением взаимосвязи между исполнительными элементами и использованием полученных в замкнутом аналитическом виде передаточных функций кольцевого механического элемента; - разработана многоканальная система управления электропривода конвейера, отличающаяся возможно-

стью обеспечения стабилизации по возмущению и подавления упругих колебаний, за счет введения соответствующей коррекции.

Практическая значимость работы: - разработанная структура системы управления двухдвигательным электроприводом ленточного конвейера, позволяет повысить долговечность работы механизмов приводной станции и ленты при пуске и движении с грузом путем ограничения динамических нагрузок; - разработанный электропривод обладает улучшенными энергетическими показателями (КПД увеличен на 2% и 13% для первого и второго двигателя соответственно), а также снижены потери электроэнергии за счет исключения добавочных сопротивлений из цепи ротора.

Методы и объекты исследования. Поставленные в работе задачи решались методами теории автоматического управления, математического моделирования и проведением исследований в программном обеспечении промышленного контроллера. Объектом исследования являлась система управления асинхронным электроприводом конвейера для транспортировки материалов к доменной печи.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается совпадением результатов математического моделирования в Matlab и программном обеспечении Concept, используемым для программирования контроллеров Modicon, а также сопоставимостью полученных результатов с положениями общей теории электропривода.

Реализация работы. Разработки внедрены в учебный процесс Липецкого металлургического колледжа для специальности «Автоматизация технологических процессов и производств». Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы на стадии проектирования аналогичной системы электропривода в доменном цехе №2 ОАО «НЛМК». Ожидаемый экономический эффект составит 837720 рублей.

На защиту выносятся:

- особенность математической модели электромеханической системы ленточного конвейера, учитывающая сосредоточенный и распределено - упругий характер параметров механической части;

- результаты исследования системы управления двухдвигательным электроприводом с корректирующими устройствами и улучшенными энергетическими показателями, которая способна максимально подавлять динамические нагрузки не только в режиме пуска, но и при движении с грузом.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции кафедры электропривода ЛГТУ (Липецк 2004); VII международной научно-практической конференции «Современные энергетические комплексы и управление ими» (Новочеркасск 2006); XI международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в моделировании и программировании» (Воронеж 2006); ХШ международной

открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж 2008); П ежегодной международной научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффекгивные технологии» (Липецк 2007) на научно-технической конференции, посвященной 35-летию кафедры электропривода Липецкого государственного технического университета (Липецк 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них две в изданиях из перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 100 наименований, 6 приложений. Общий объем работы - 160 страниц. Основная часть изложена на 120 страницах текста, содержит 61 рисунок, 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, определены решаемые в диссертационной работе научно-технические проблемы и задачи, показаны новизна и практическая значимость работы.

В первой главе раскрыта актуальность диссертационной работы, проведен анализ конструктивных особенностей и наиболее опасных режимов работы ленточного конвейера для транспортировки сыпучего материала к доменной печи. Электромеханическая система (ЭМС) конвейера представляет собой набор последовательно соединенных сосредоточенных масс роликов, барабанов, валов и участков ленты, представляющих собой объект с распределенными параметрами. Эти объекты сложны в математическом описании и при исследовании динамических режимов с определением наиболее негативных факторов, актуальным является применение имитационного моделирования. В результате проведенного обзора технической литературы, посвященных исследованиям динамических нагрузок в механической части конвейеров, было определено, что наиболее удобным является представление механизма конвейера в виде шггимассовой ЭМС. Одной из особенностей является взаимосвязь между приводными барабанами двухдвигательной станции, поэтому была создана математическая модель, на основании уравнения движения в операторной форме (1):

1,рсо, (р) = М, (р) - Р12 (р) г, - а1ш1 (р);

*2Рга2 (р) = М2 (р) + Р12 (р)г2 - а2со2 (р);

р12 (Р) = с12 [г, со, (р)-г2со2 (р)-г2со2 (РК-У^ Ае(р)]/р ; (1)

Лв(Р) = ^М,

с|21

где ]2 - моменты инерции двигателей приводной станции с редукторами и приводными барабанами; а,,а2-коэффициенты вязкого трения; с12 - коэффициент жесткости ленты; Б,2 - натяжение для ленты конвейера на участке растяжения; о,, о>2 - скорости барабанов; М„М2 - моменты двигателей; УН1с,е0 - начальные значения линейной скорости ленты в конце участка и относительного удлинения ленты, а г а^ (р) и г2С02(р) - линейные скорости материала на участке растяжения между приводными

барабанами 1. Остальные элементы пятимассовой ЭМС являются общепринятыми при составлении динамической модели, которые учитывают моменты инерции собственно механизма, с учетом упругого элемента - ленты конвейера, на которой расположен груз. Также в первой главе приводится принцип построения существующей системы реостатного пуска и модель, с помощью которой получены характеристики, отражающие возникновение негативных факторов. В результате проведенных исследований были поставлены следующие задачи работы:

- составление уточненной математической модели ленточного конвейера, учитывающей сосредоточенный и распределение - упругий характер параметров механической части;

- исследование влияния параметров электромеханической системы конвейера на демпфирующую способность механизмом и электроприводом с анализом динамических нагрузок на основе полученных уточненных математических моделей конвейера и системы электропривода;

- исследование перспективной системы управления пуском дву>двигательного электропривода конвейера, при использовании корректирующих устройств, для снижения динамических нагрузок и упругих колебаний;

- разработка системы управления электроприводом, которая обеспечит снижение воздействий внешних и внутренних возмущающих факторов в электромеханической системе, с улучшением энергетических показателей.

Вторая глава посвящена исследованию демпфирующей способности как самим электроприводом так и механической части конвейера. Были построены универсальные зависимости предельного демпфирования ЭМС и определены фактические величины логарифмического декремента затухания. При этом выяснилось, что достижение предельного значения демпфирования для рассматриваемого примера невозможно.

Наличие упругих механических связей является фактором, способствующим возникновению упругих колебаний, которые могут иметь затухающий или незатухающий характер. Для определения этих свойств исследована механическая часть ленточного конвейера как с сосредоточенными (СП), так и с распределенными параметрами (РП) при использовании аппарата частотных характеристик. Выражения, учиты-

ваюшие внутреннее демпфирование в ЭМС конвейера рассмотрены для системы с СП (2) и РП (3):

к Г^-АМ'-(Р)- Vo(1 + Ti2P) ■ ГОЛ

ДМ(р) pz + 2^v,p + vi

0.002667 р5 + 0.000013р4 + 0.5333 р5 + 0.0016 р2 + 20 р + 0.02 г pl ~ 0,2171р6 + 0.001303р5 + 61.2р4 + 0.2448р3 + 4295р2 + 8.59р + 0.004 '

При этом выражение (2) известно из теории электропривода, а выражение (3) было получено в ходе диссертационного исследования методом аппроксимации и разложением гиперболических функций ch(p) и sh(p) в ряд Тейлора. Объектом исследования при этом являлся кольцевой элемент с передаточной функцией Wrpl от усилия на ведущем шкиве к его скорости:

(2а)"' [shp + рц2 (ch2p - ch2 (pL„))

Wrpl —

sh2p + (ch2p - ch2 (pLn)) + р(ц, + H2 )sh2p j

(4)

где Ьп = 1 - 2х2/1 - относительное взаимное положение масс, ц, = т1/тк - отношение массы двигателя к массе механического элемента с распределенными параметрами, а - скорость распространения упругой волны, ц2 = т2/шк - отношение массы перемещаемого груза к массе механического элемента с распределенными параметрами, коэффициент перенормировки р = р1/(2а).

Полученные частотные характеристики, при использовании программирования в Ма11аЬ (рис. 1), для выражений (2, 3), позволяют сформулировать следующее: смещение спектра собственных частот вправо обуславливается только увеличением скорости распространения волны упругих деформаций, либо уменьшением пространственной протяженности объекта; учет естественного демпфирования ограничивает резонансный пик конечными значениями и сглаживает частотную характеристику; при учете внутреннего демпфирования в распределено - упругом элементе при полученных Ьф, Рф характеристики незначительно отличаются от системы, учитывающей естественное демпфирование с сосредоточенными параметрами Ьср и Рср. При использовании цифрового моделирования, на основании используемых уточненных структурных схем электромеханической системы конвейера, было обосновано и доказано

предположение о слабой демпфируемое™ упругих колебаний не только элементами механической части конвейера, но и самим электроприводом.

Третья глава посвящена разработке системы управления двухдвигатель-ным электроприводом (ЭП), базирующегося на частотном управлении коротко-замкнутых асинхронных (Ц'Рф -ЛАЧХиФЧХ при выходной переменной двигателей, основанной на

линейной скорости ленты V, для системы с принципе подчиненного ре-

сосредоточенными параметрами Ь^ и Рср при ш2) гулирования, с использованием корректирующих устройств, для снижения динамических нагрузок и упругих колебаний ленты конвейера.

Влияние динамических нагрузок (подавление моментов упругости при набросе и разгрузке материала) в электроприводах переменного тока с многомассовой ЭМС можно ослабить до необходимого уровня путем внедрения в структуру электропривода регуляторов момента или регуляторов с "нечеткой логикой". Но для настройки и последующей эксплуатации последней системы потребуется высококвалифицированный персонал. Поэтому использована структурная схема (рисунок 2), где сигнал соответствующий моменту двигателя будет соответствовать току задания в контуре регулирования скорости, если сигнал на входе регулятора скорости разделить на К1|Ч/гх, где Ки = 0,001 - коэффициент блокирующий деление на нулевое значение.

-360

10 10' 10' Рисунок 1 - Частотные характеристики с учетом внутреннего демпфирования

Рисунок 2 - Струюурная схема системы управления при использовании косвенной коррекции момента двигателя

В результате моделирования получены характеристики (рисунок 3), которые позволяют утверждать об адекватности использования не только разработанной структуры поддержания момента, при изменяющейся нагрузке, но и целесообразности применения частотного управления.

а) б)

Рисунок 3 - Характеристики моментов двигателей (а), упругого момента (б) для

системы с коррекцией и без нее (Ч.....,1:Ш12 - время наброса и ¡,1н3 - разгрузки

материала, М6рм - моменты двигателей и упругого момента М256рм без регулятора момента и с ним Мсрм, М25с м)

Как видно, из полученных характеристик, использование регулирования момента двигателя позволяет стабилизировать только его моменты в установившемся режиме (рисунок За), а упругий момент механизма изменился незначительно (рисунок 36).

Для подавления упругих колебаний и получения максимального быстродействия, предлагается использовать корректирующее устройство с передаточной функцией, полученное согласно методики, предложенной Д.Н. Дочвири для ЭП с упругим звеном по критериям Калмана - Фробеньюса:

Тз8

Ц, (8)-Ц2 (Б) Т,

Т58

Т<

+ 11/(8),

(5)

где Т4 - постоянная вязкого трения механизма;Т6 = 5Т4 ;Т5 = (Т,Т2ТЛ / Ту при этом Т,,Т2,Тл,Т^- механические постоянные времени двигателя, механизма, упругой ленты, суммарная механическая постоянная; и2 (8),и, (8) - выходной и входной сигнал.

Соответствующая выражению (5) структурная схема корректора представлена на рисунке 4. Полученное корректирующее устройство является последовательным и оно включено на вход регулятора скорости ведущего двигателя. Значения параметров входящих в корректирующее устройство определяют максимально возможную демпфирующую способность электропривода с упругой связью и системой подчиненного регулирования, которая обеспечивается при определенных настройках регулятора скорости и регулятора тока.

ЗИ

и..

Ог

Условие работы корректора А "О 2а

У,* 1 Ги,(8)-и2(8) + т4 тб - Т3!3 Т5 1 Т3 2 + и,<!3)

и,В Условие работы корректора Б и2Б = итз:зс1----

* 1 Т3» Гцй)-и,й) + т ъ 1 Т^ Т, 1 Т5 2 + и1<8)

и.

2А

Регулятор скорости

0„

Регулятор тока

лХрк»

Рисунок 4 - Структурная схема корректирующего устройства

Исследование при моделировании в Ма11аЬ электромеханической системы конвейера показывает, что коэффициент влияния корректирующего звена на систему целесообразно изменять ступенчато. В этом случае в период времени, соответствующий переходным процессам разгона двигателей, нужно обеспечить значительное влияние звена на систему с тем, чтобы обеспечить минимальное значение амплитуды колебаний упругого момента (корректор А). В период времени, соответствующий установившемуся режиму движения, необходимо снизить влияние корректирующего звена на систему, но не исключать полностью, для более эффективного подавления колебания в установившемся режиме при разгрузке и набросе нагрузки (корректор Б). Эффективность введенного корректирующего сигнала определяется значением коэффициентов коррекции Ккор1 =Т4/Т5, Ккор2 =Т6/Т5. В таблице 1 приведены данные

анализа влияния значения коэффициентов коррекции для снижения колебаний упругого момента в режиме пуска, где т = А6к/Ак - кратность снижения амплитуды колебаний (А6к,Ак- вторая амплитуда упругого момента в системе бет коррекции и с коррекцией соответственно).

Таблица 1 - Влияния коррекции на кратность снижения амплитуды колебаний

№ опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ксор1 0,17 2 3 5 10 15 16 20 25 30

Ккор2 0,005 2,5 2,1 2 1,5 1а 1 0,9 0,5 ОД

X 1 1Д 1,3 1,4 1,66 3,5 1Д5 0,83 0,82 0,8

и

В результате использования такого подхода получены характеристики (рисунок 5), которые подтверждают целесообразность включения корректора с целью снижения амплитуды колебаний упругого момента М25 (между приводным барабаном и механизмом конвейера), практически в 3,5 раза (опыт №6) и коэффициента динамичности вдвое по сравнению с ЭП реостатного пуска. На основании этих исследований можно утверждать об эффективности разработанного способа коррекции, как для подавления упругих колебаний, так и для уменьшения динамических нагрузок, что ведет к снижению износа механической части.

Рисунок 5 - Характеристики по упругому моменту, возникающему между ведущим приводным барабаном и связанным с ним механизмом

С учетом того, что кинематика распределенно - упругой передачи ленточного конвейера конструктивно позволяет осуществить подключение дополнительной обратной связи к любой точке, задача увеличения полосы пропускания системы может бьгть решена с помощью введения дополнительной обратной связи из промежуточной точки элемента. Для этого необходимо ввести в систему управления корректирующий сигнал, пропорциональный величине изменения момента двигателя во времени, который можно получить косвенно.

Рисунок 6 - Функциональная схема с дополнительной связью

Структурная схема подчиненного регулирования, представленная на рисунке 6, состоит из передаточных функций основного регулятора скорости ЧУ^, и дополнительного \У"рд, а также передаточной функции регулятора тока с силовой частью ЭП . При этом используются передаточные функции однородного продольно - упругого элемента \¥р|1 , \У|р г[. Используя передаточную функцию \¥|рг] (3) и имея в

каждый момент времени значение вращающего момента приводного двигателя, можно прогнозировать изменение момента двигателя в зависимости от пространственного нахождения груза на ленте и его массы. Этот метод возможен при следующих условиях: масса груза определяется весоизмерительными системами дозирования либо ленточными весами и вносится в алгоритм расчета передаточной функции модели системы с распределенными параметрами; количество датчиков, определяющих нахождение груза на всем протяжении ленты нагружаемой сыпучими материалами, определяется из расчета:

где Ьн - длина нагружаемой части конвейера и Ккт - количество контрольных точек.

В качестве датчиков для бесконтактного определения наличия материала по всей длине конвейере применяются ультразвуковые датчики КОШ 1 с преобразователем Ргоэошс 8 РМШ5, поддерживающим возможность подключения до 10 датчиков. Количество контрольных точек должно выбираться, исходя из условия:

где 1:12!. - время двух амплитуд колебаний упругого момента (колебаний момента двигателя), определяемых расчетным путем либо при имитационном моделировании, ул -линейная скорость движения ленты. В противном случае, возникнет рассогласование в частоте и фазе между значениями изменения момента в действительности и на модели, что приведет к неадекватной работе системы управления, так как передаточная функция механической системы (3) представляет собой колебательное звено. Таким образом, система управления должна включать в себя модель системы с распределенными параметрами в качестве корректирующего звена, которое удобнее включить в дополнительный контур скорости.

На рисунке 7 показаны графики зависимостей моментов двигателей М,, М2 и скоростей соответственно со,, ш2, полученные в результате цифрового моделирования, для системы с дополнительной обратной связью. Полученные характеристики

Циг -Ь„/Кк т

(6)

(7)

удовлетворяют требованию подавления колебаний моментов двигателей при весьма небольшом времени переходного процесса.

12000 юооо 8000 6000 4000 2000

о 10 20 30 40 50 60

Рисунок 7 - Характеристики двигателей с корректирующим устройством

отдатчика скорости Л1 1 К регулятору

—1 к ТфР+1

отдатчика скорости АД2

со,

сигнал рассогласования

К регулятору

1 скорости АД2

ТфР+1

Схема синхронизации исполнительных элементов выполнена двух-канальной для реализации приемлемых натяжений и исключения долгой пробуксовки ленты о барабаны в аварийных ситуациях (рисунок 8). Основой при построении синхронизатора служит получение значений Дш по имеющимся значениям скорости с тахогенераторов

двигателей и введении величины рассогласования перед регуляторами скорости соответствующих двигателей. Для регулятора скорости ведущего двигателя будет соответствовать следующее выражение:

О} < со2

-к

Рисунок 8 - Структурная схема синхронизации исполнительных элементов приводной станции

<Юл1/А = Тзи,/Трс1 [<Шзс1/ск - сШоос1/ск - Ш0ТЮ11/ск];

ёизс1/ё1 = 1/тзи,[изи,-изс1];

OTK.il

М=[и

оос!

где изс1,изт1 - напряжение задания на скорость и ток; иоос1„ иосс2- напряжение обратной связи по скорости первого и второго двигателя; иоткл1 = Дш12 - сигнал разности скоростей; Тф - постоянная фильтра. Релейный элемент к2 используется для регулирования натяжений ленты при пуске, в зависимости от нагрузки транспортера, предусмотрено введение коэффициента рассинхронизации скоростей двигателей. Характеристики (рисунок 9) показывают действие собсгвен-

wlc,w2c 1/с 100 - №lp;w2pio-.?i/C7

четкая синхронизация

wlc,nv2c

hfipHHysii^e.'lbmapicaiHxpoaiBautia

I , т I t-Wlp5W2]j>-------f------

-4-

t.c

30

50

Рисунок 9 - Характеристики по скорости двигателей при использовании синхронизации и принудительной рассинхронизации

но синхронизации (четкая синхронизация), что благоприятно будет сказываться на снижение воздействия упругого момента и рассинхронизации (принудительная), при необходимости включаемая, для повышения натяжения ленты, сцепления ленты с барабанами и создания соответственно максимального усилия. Рассинхронизация будет действовать при необходимости максимальной загрузки конвейера и только в режиме пуска.

В четвертой главе рассмотрена цифровая система управления двухдвигатель-ным асинхронным электроприводом с применением микропроцессорной техники. Предложено использование корректирующего звена для подавления упругих колебаний, выполненное на базе программного обеспечения промышленного контроллера Modicon, а также произведена оценка энергетической эффективности применения управляемых электроприводов. Задачей исследования в четвертой главе являегся проверка предлагаемого способа подавления упругих колебаний возникающих в ЭМС ленточного конвейера, путем сравнения характеристик управляющего сигнала UBMX после реализации коррекции.

Для решения поставленной задачи была разработана программа в Concept для реализации последовательного корректирующего устройства, где конфигурирование выполнено в режиме off-line (на автономном ПК). Полностью повторяемые характеристики рисунка 5а участков корректора А и корректора Б, можно получить при использовании переключающейся структуры. При этом коэффициенты, по истечении определенного времени, изменяются в зависимости от режима работы электропривода: ре-

жим пуска (рисунок 10а, 1), когда включается корректор А и действует до выхода на заданную скорость двигателя; режим установившегося режима (рисунок 10а, 2), когда включается корректор Б, действует на протяжении всего оставшегося времени.

Рисунок 10 -Характеристика сигнала с переключающейся струюурой при моделировании в Matlab Simulink (а) и Concept (б)

При использовании программного обеспечения Concept получены характеристики (рисунок 106), которые позволяют утверждать об идентичности полученных результатов с моделированием в Matlab и в целом служит подтверждением использования разработанного способа коррекции.

Анализ различных способов регулирования параметров асинхронного двигателя позволяет утверждать, что для снижения энергопотребления универсальным является частотно - регулируемый асинхронный электропривод. Это вывод конкретизирован количественными оценками и сравнительным анализом используемой и перспективной системы. Для установившихся режимов в качестве основных показателей Moiyr быть использованы коэффициент полезного действия г], являющийся мерой экономичности преобразования электрической энергии в механическую, и коэффициент мощности km, который является мерой экономичности потребления электроэнергии из сети и используется вместо понятия coscp в цепях с несинусоидальными токами, что характерно для частотно - управляемых электроприводов:

k (t)- иу(*К(0+и»0М0

#x(t)2 + uy(t)2)(ix(t)2+iy(t)2) '

сф)-Мс

т;-——£-• (Ю)

При применении перспективной системы управления, для установившегося режима, увеличение коэффициента мощности кт] для двух асинхронных короткозамк-нутых двигателей составило = 2%. При этом КПД г) увеличен на 2% для ведущего двигателя, а для второго увеличен на 13% в отличие от используемых асинхронных двигателей с реостатным пуском. Вследствие определения оптимального коэффициента распределения нагрузки между приводными двигателями к р =Р,/Р, =1,25

мощность ведущего была занижена на 170 кВт. Также следует учитывать экономию электроэнергии, при исключении постоянно работающих добавочных сопротивлений в цепи ротора, которая составит в течение года 335088 кВт-ч (3 % от общего потребления) или 837720 рублей. Предполагается значительная экономия средств от снижения производства по выпуску передельного чугуна, связанная с нарушением подачи материалов к доменной печи (повышенная аварийность в механической части, износ и в дальнейшем порыв ленты). Так как простой доменной печи в течение одного часа в сутки приведет к потере 292 тонн готовой продукции эквивалентной 3645833 рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых исследований была решена актуальная задача: разработана система электропривода, обеспечивающая снижение негативных воздействий, обусловленных наличием упругого элемента, в механической части ленточного конвейера, в переходных процессах и при движении с грузом. Использование корректирующих устройств в системе регулирования ЭП позволяет максимально снижать динамические нагрузки и подавлять упругие колебания для рассматриваемого и аналогичных механизмов, с целью повышения долговечности элементов ходовой части и ленты. Материалы работы позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Создана математическая модель, отличающаяся от ранее известных тем, что она учитывает взаимосвязь между двумя приводными барабанами, а также позволяет представлять ленточный конвейер, как одномерный продольно-упругий замкнутый в кольцо элемент, нагруженный массами. С помощью математической модели можно исследовать как натяжение ленты в пусковых режимах для исключения пробуксовки, так и позволяет осуществить исследование влияния параметров этого объекта на спектр его собственных частот;

2. Получено аналитическое выражение распределение - упругого кольцевого

л 0

механического элемента, которое позволяет производить исследование влияния таких параметров как относительное взаимное положение масс, сосредоточенных относительно двигателя, учитывать внутреннее демпфирование и скорость распространения упругой волны, что в свою очередь может стать неотъемлемой частью при разработке систем управления ЭП конвейеров;

3.Использование частотного управления с задатчиком интенсивности и последовательного корректирующего устройства, для системы с сосредоточенными параметрами ЭМС, в канале регулирования скорости позволяет максимально подавить упругие колебания (амплитуда колебаний уменьшилась в 3,5 раза), а также снижать коэффициент динамичности в 2 раза. При рассмотрении системы с распределенно - упругим кольцевым механическим элементом также предложена коррекция переменных управления одним из двигателей с целью уменьшения воздействия динамических нагрузок;

4. Разработан алгоритм системы управления ленточным конвейером на базе промышленного контроллера. Система управления электроприводом ленточного конвейера, при использовании алгоритма подавления упругих колебаний в программном обеспечении Concept, способна обеспечить минимальные значения упругого момента;

5. Предложенная система электропривода, при проведении сравнительного анализа, показала свою энергетическую эффективность относительно используемой системы с параметрическим управлением, где увеличение КПД соответствующих двигателей возросло на 2% и 13%. Экономия при исключении добавочных сопротивлений из цепи ротора составит 837720 рублей в течение года.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Теличко Л.Я., Тарасов A.C. Математическое моделирование ленточного конвейера с двухдвнгательным электроприводом// Вестник ВГТУ. - Воронеж: ВГТУ. - 2007 - том 3 №12 - С. 82-86.

2.Теличко Л.Я., Тарасов A.C. Математическое моделирование распределенно - упругого элемента с двухдвнгательным электроприводом// Вестник ВГТУ - Воронеж: ВГТУ. - 2009 - том 5 №3 - С. 74-78.

3. Теличко Л.Я., Тарасов A.C. Математическая модель механической части электропривода ленточного .конвейера// Современные проблемы информатизации в прикладных задачах: Сб. трудов,- Воронеж: "Научная книга" - 2006 - С. 99 -102.

4. Теличко ЛЛ., Тарасов A.C. Особенности моделирования асинхронного двигателя для электропривода ленточного конвейера в среде Simulink // Современные проблемы информатизации в моделировании и программировании: Сб. трудов- Воронеж: Изд. "Научная книга" - 2006 - С. 206 - 207.

5. Тарасов A.C. Оценка энергетической эффективности регулируемых асинхронных электроприводов средствами имитационного моделирования в Matlab 6.5 Simulink// Современные энергетические комплексы и управление ими: Материалы Междунар. науч. - практ. конф., г. Новочеркасск, ЮРГТУ-2007-Ч.2 - С. 45-50

6. Тарасов A.C. Многодвигательный асинхронный электропривод ленточного конвейера с корректирующим устройством снижения динамических нагрузок // Информационные технологии моделирования и управления: Сб. трудов - Воронеж: Изд. "Научная книга" - 2007-№4(38) - С. 499-504.

7. Тарасов A.C. Механическая часть электропривода с распределенными параметрами как объект управления// Информационные технологии моделироззания и управления: Сб. трудов - Воронеж: Изд. "Научная книга"-2007-№8(42>- С. 98 3 -986.

8. Теличко ЛЛ., Тарасов A.C. Исследование динамических режимов в асинхронном электроприводе конвейера// Энергетика и энергоэффекгивные технологии: Сб. трудов. - Липецк: ЛГТУ - 2007 - С. 276 - 281.

9. Тарасов A.C. Анализ механической части электропривода средствами Matlab// Современные проблемы информатизации в проектировании и информационных системах: Сб. трудов - Воронеж: Изд. "Научная книга" - 2008 - С. 432 - 434.

10. Теличко Л.Я., Тарасов A.C. Исследование динамических режимов в многодвигательном электроприводе конвейеров // Вести высших учебных заведений Черноземья: Сб. трудов. - Липецк: ЛГТУ - 2007 -№4( 10) - С. 60-64.

11. Теличко Л Л., Тарасов A.C. Корректирующие устройства подавления упругих колебаний для электропривода конвейеров // Материалы научно - технической конференции: Сб. трудов - Липецк: ЛГТУ-2009 -С. 42-46.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: в [1] - предложена система электропривода на базе частотно - регули руемых преобразователей с корректирующим устройством подавления упругих колебаний; [2] - представлены результаты моделирования оптимальной системы электропривода механизма конвейера с распределенными параметрами при использовании косвенной коррекции нахождения груза на ленте; [3], [4] - разработана структурная схема ЭМС конвейера с переменными параметрами элементов с использованием математической модели асинхронного двигателя; [8] — исследованы динамические режимы системы электропривода механизма методом математического моделирования и нахождением оптимального коэффициента коррекции; [11] - разработана оптимальная система электропривода, уменьшающая воздействие упругого момента и снижающая динамические нагрузки в ЭМС конвейера с сосредоточенными параметрами; [12] - приведены результаты моделирования и показан метод оценки демпфируемости упругих колебаний.

Подписано в печать 17.04.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.

Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 130 экз. Заказ № 263. Издательство Липецкого государственного технического университета. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04501356376

Тарасов Андрей Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ

ДВУХДВИГАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА КОНВЕЙЕРОВ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Л.Я. Теличко

Липецк - 2013

9У

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 4

1 МНОГОПРИВОДНЫЙ ЛЕНТОЧНЫЙ КОНВЕЙЕР ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ................................................ 9

1.1 Электропривод конвейера транспортировки сыпучих грузов............. 9

1.2 Динамические процессы ЭМС ленточного конвейера и

анализ исполнительных элементов................................................... 14

1.3 Регулируемый электропривод для подъемно - транспортных

механизмов.............................................................................. 26

Постановка задач исследования........................................................... 34

2 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЛЕНТОЧНОГО

КОНВЕЙЕРА КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................. 35

2.1 Динамические нагрузки и демпфирующая способность привода

при использовании асинхронного двигателя....................................... 35

2.2 Исследование двухмассовой электромеханической системы с

учетом естественного демпфирования.............................................. 42

2.3 Электромеханическая система конвейера с распределенными

параметрами как объект управления................................................... 48

Выводы..................................................................................... 60

3 СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

С УПРУГИМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВЯЗЯМИ............................... 61

3.1 Модель системы управления двухдвигательного электропривода конвейера на базе асинхронного двигателя....................................... 61

3.2 Адаптивная система управления электроприводом с сосредоточен -ными параметрами механической системы ленточного конвейера.......... 69

3.3 Адаптивная система управления электроприводом с распределен -

ными параметрами механической системы ленточного конвейера........... 83

3.4 Согласующее устройство скоростей исполнительных

элементов двухдвигательной приводной станции.............................. 90

Выводы......................................................................................................................................................................94

4 АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫМ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА..............................................95

4.1 Структура системы автоматического управления....................................................95

4.2 Практическое исследование применяемого корректора подавления упругих колебаний для промышленного контроллера.......................... 104

4.3 Оценка энергетической эффективности регулируемых

электроприводов................................................................................................................................................110

Выводы........................................................................................................................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................................120

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Исходные данные электропривода и параметры

механической части конвейера....................................................... 131

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Модель системы управления асинхронным приводом

ленточного конвейера с электромеханической системой в блоках ЗнгшПпк 136 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Расчет передаточных функций ЭМС с сосредоточен-

ными и распределенными параметрами ленточного конвейера в Matlab.... 146 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Модель корректирующего устройства в программном

обеспечении Concept 2.2..............................................................................................................................149

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Влияния значения коэффициента коррекции для

уменьшения упругих колебаний в ЭМС конвейера..............................................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Акты об использовании результатов диссертации....................156

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы определяется необходимостью создания систем надежного управления многодвигательным электроприводом ленточного конвейера для транспортировки сыпучих материалов к загрузочному устройству доменных печей. Главный конвейер относится к нерезервируемым системам, поэтому обеспечение бесперебойной работы в пусковых режимах и при продолжительной работе при доставке рудного материала, должно сопровождаться снижением динамических нагрузок и подавлением упругих колебаний.

Главный подъемный конвейер и группа вспомогательных перегрузочных линий составляют целый комплекс, используемый для обеспечения материалом современной доменной печи, при этом согласованность механизмов и непрерывность подачи является одной из актуальных задач. В этой связи использование методов математического представления и анализа, описывающих двухдвига-тельную систему транспортера с использованием асинхронных двигателей и сложной механической структурой, при учете негативных факторов возникающих при пуске и движении с разгрузкой материала, является актуальной.

Механическая часть конвейеров представляет собой достаточно сложную систему с распределенными по длине конвейера параметрами: массой перемещаемого груза, массой и упругостью тягового органа, усилием статического сопротивления. Присутствие упругого элемента в виде резинотросовой ленты определяет степень увеличения динамических нагрузок, что при неблагоприятных условиях таких как запыленность доменных цехов, повышенная влажность или присутствие такого эффекта как науглероживание приводных барабанов, приводит к пробуксовке и нестабильной работе агрегата.

На данный момент наиболее распространенным типом электропривода механизмов непрерывного транспорта является нерегулируемый или регулируемый при помощи многоступенчатого реостата привод переменного тока на основе асинхронных двигателей. Основными недостатками существующих систем электропривода (ЭП) являются:

- большое количество коммутационной аппаратуры для рассматриваемого типа составляет до 18 пусковых ступеней;

- потеря электроэнергии при поддержании жесткости характеристик с использованием добавочных сопротивлений;

- возникновение динамических нагрузок и невозможность их подавления при выгрузке материала на ленту и разгрузке в приемный бункер печи.

Для обеспечения высокого качества регулирования скорости двигателей и соответственно ленты в избегании пробуксовки и поддержания жесткости механических характеристик, в том числе в области низких скоростей при наладке, необходимо иметь возможность непосредственного управления скоростью и моментом электродвигателя. Одним из способов, удовлетворяющим этим требованиям, является векторное управление электроприводом переменного тока с асинхронным двигателем. Такое управление используется в ЭП в состав которых входят автономные инверторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией (АИН ШИМ), которое позволяет использование многокаскадного включения асинхронных двигателей.

В связи с нарастающим внедрением современных способов управления ЭП переменного тока, представляется актуальным построение эффективной системы регулирования для механизма транспортировки сыпучих материалов, которая учитывает особенности его работы. Поэтому разработка математической модели электромеханической системы (ЭМС) электропривода механизма ленточного конвейера и исследования, направленные на разработку и совершенствование систем электропривода, являются актуальной задачей, так как предполагают повышение энергоэффективности и увеличение надежности работы механизма.

Целью работы является разработка и исследование системы управления двухдвигательным электроприводом конвейера для снижения воздействий внешних и внутренних возмущающих факторов в электромеханической системе с улучшением энергетических показателей.

Идея работы заключается в создании системы управления многодвигательным электроприводом конвейера, в состав которой включены корректирую-

щие устройства, что позволяет минимизировать воздействие негативных факторов в электромеханической системе.

Научная новизна:

разработана многоканальная система управления электропривода конвейера, отличающаяся возможностью обеспечения стабилизации по возмущению и подавления упругих колебаний, за счет введения соответствующей коррекции;

разработаны математические модели, учитывающие сосредоточенный и распределенно - упругий характер механической части конвейера, отличающиеся новым математическим представлением взаимосвязи между исполнительными элементами и использованием полученных в замкнутом аналитическом виде передаточных функций кольцевого механического элемента;

предложена структура системы синхронизации исполнительных элементов многодвигательного электропривода, построенная на основе сравнения скорости двух двигателей и уменьшения найденной ошибки рассогласования, отличающаяся дискретным переключением при пуске и в установившемся режиме.

Практическая значимость работы:

- разработаны уточненные модели ЭМС рассматриваемого объекта ленточного конвейера, произведен анализ негативных воздействий на исполнительные элементы конвейера, имеющий распределено - упругий и сосредоточенный характер параметров механической части и найдены способы их уменьшения;

- разработанный электропривод позволит снизить повреждаемость механизма и дорогостоящей ленты, что позволит увеличить срок эксплуатации как несущего элемента для сыпучих материалов, так и конструкции приводной станции;

- разработанные корректирующие устройства для двухдвигательной системы электропривода позволят снизить зависимость характера динамических процессов от существующих и изменяющихся параметров механической части;

- приведены обоснования о недоиспользовании двигателей при численном решении потерь мощности и коэффициента мощности при управлении от частотного преобразователя и предложено решение, снижающее этот фактор.

Методы и объекты исследования. Объектом исследования являлась система

управления асинхронным электроприводом конвейера для транспортировки материалов к доменной печи. Поставленные задачи, которые были определены в ходе исследования, решались использованием математического моделирования на ЭВМ (в программном обеспечении Matlab 6.5 Simulink и Concept). В исследованиях применялись положения теории и расчета ленточных конвейеров, теории систем управления электроприводами, основные положения теории машин непрерывного транспорта, методы идентификации, теории оптимального управления.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современных методик математического моделирования на базе программного пакета Matlab Simulink и сопоставимостью полученных результатов с положениями теории электропривода, а также результатами исследований проведенных на промышленном контроллере Modicon Quantum.

Реализация работы. Разработки внедрены в учебный процесс Липецкого металлургического колледжа для специальности «Автоматизация технологических процессов и производств». Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы на стадии проектирования аналогичной системы электропривода в доменном цехе №2 ОАО «НЛМК». Ожидаемый экономический эффект составит 837720 рублей.

На защиту выносятся:

- особенность математической модели электромеханической системы ленточного конвейера, учитывающая сосредоточенный и распределено - упругий характер параметров механической части;

- результаты исследования системы управления двухдвигательным электроприводом с корректирующими устройствами и улучшенными энергетическими показателями, которая способна максимально подавлять динамические нагрузки не только в режиме пуска, но и при движении с грузом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на: шестой международной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства" (Ново-

черкасск 2006); Научно-технической конференции кафедры электропривода ЛГТУ (Липецк 2004); Международной научно-практической конференции "Микропроцессорные, аналоговые, цифровые и электромеханические устройства и системы" (Новочеркасск 2006); Одиннадцатой международной открытой научной конференции "Современные проблемы информатизации в моделировании и программировании" (Воронеж 2006); Одиннадцатой международной открытой научной конференции "Современные проблемы информатизации в прикладных задачах" (Воронеж 2006); Научно-технической конференции студентов и аспирантов ЛГТУ (Липецк 2005); Седьмой международной научно-практической конференции "Современные энергетические комплексы и управление ими"(Новочеркасск 2006); Международной научно-практической конференции "Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения" (Новочеркасск 2007); Второй ежегодной международной научно-технической конференции "Энергетика и энергоэффективные техноло-гии"(Липецк 2007); Научно-технической конференции, посвященной 35-летию кафедры электропривода ЛГТУ (Липецк 2009); Тринадцатой международной открытой научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж 2008).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 20 печатных работ, отражающих полное содержание диссертационной работы, в том числе 2 работы в изданиях из перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 100 наименований, 6 приложений. Общий объем работы - 160 страниц. Основная часть изложена на 120 страницах текста, содержит 61 рисунок, 5 таблиц.

1 МНОГОПРИВОДНЫЙ ЛЕНТОЧНЫЙ КОНВЕЙЕР ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ

1.1 Электропривод конвейера транспортировки сыпучих грузов

Конвейер - агрегат продолжительного действия, использующийся для перемещения кусковых, сыпучих материалов от перегрузочных устройств до места назначения. Транспортеры по типу тягового органа различают на ленточные, цепные и канатные. При этом тип грузонесущего органа определяется как ленточный, пластинчатый, скребковый и ковшовый. Система конвейерных линий является неотъемлемой частью в обеспечении бесперебойной работы современной доменной печи, где исключаются длительные простои, которые приводят к потере производства и соответственно к огромным затратам при выпуске готовой продукции - чугуна. Высокая ответственность их работы и назначения определяет степень особой важности представленного типа механизмов в общем технологическом процессе.

Для ленточных конвейеров в большинстве случаев используются ленты из синтетической или комбинированной ткани, покрытые резиной, которые получили название резинотканевых, реже используются резинотросовые ленты - с включенными металлическими элементами для повышения прочности и устойчивости к агрессивным воздействиям [3, 9]. Резинотросовые ленты обладают огромным запасом по прочности и устанавливаются в наиболее неблагоприятных условиях.

Нагрузки на современных высокопроизводительных ленточных конвейерах настолько велики, что создать необходимое тяговое усилие с помощью одного приводного барабана при допустимых натяжениях ленты не всегда удаётся. Поэтому высокопроизводительные конвейеры имеют по два и более приводных барабана. В связи с этим возникает задача рационального распределения суммарного тягового усилия, тягового фактора и общей мощности на приводных барабанах, взаимодействующих через ленту.

В данной работе рассматривается наклонный ленточный конвейер, пред -

Т) s о v: X о я

î=l О)

к

H

о л а Е Sc

я о s w

П)

Sc

<5 43

Î3 W X x

я

43

s

Cd О

Ï3

s о Sc

О H Р X S s Л) Sc

ставленный на рисунке 1.1, использующий в качестве тягового элемента резинот-росовую ленту, на примере установленного на ОАО "НЛМК" в доменном цехе №2. Резинотросовая лента перемещается с помощью двух приводных барабанов, имеющих футеровку из резины, используя силы трения. Усилие, передаваемое барабанами соответственно конвейерной ленте, зависит от местоположения и угла обхвата "зигзагом" барабанов и мощности электродвигателей, приводящего в действие барабаны, причем при недостаточности обхвата лента будет скользить по барабанам, а при недостаточности мощности барабаны не протянут ее.

Как было сказано выше, особое значение предъявляется к надежности исполнительных элементов как всего механизма так и отдельных его частей, при этом следует учесть, что конвейерные лини, как правило, относятся к нерезерви-руемым системам, так как установка резервной конвейерной линии повышает капитальные затраты и становится �