автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Структура и синтез алгоритмов управления и диагностики электромеханического оборудования горно-транспортного комплекса

На правах рукописи

ТАРАНОВ Сергей Игоревич

СТРУКТУРА И СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГОРНО-ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы

V'

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-2 014

005551591

005551591

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Козярук Анатолий Евтихиевич

Официальные оппоненты:

Новиков Владислав Александрович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ"», кафедра робототехники и автоматизации производственных систем, профессор

Томасов Валентин Сергеевич - кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский научно-исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», кафедра электротехники и прецизионных электромеханических систем, заведующий кафедрой

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита состоится 27 июня 2014 года в 14 час 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» но адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д.2, ауд. №7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 25 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

Фокин Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Наиболее распространенным видом добычи полезных ископаемых на горных предприятиях России является добыча открытым способом, а основными средствами реализации погру-зочно-доставочных работ- большегрузные карьерные самосвалы и экскаваторы. На рынке большегрузной техники сегодня представленны различные решения по формированию горно-транспортных комплексов (экскаватор и самосвал), но наиболее эффективными остаются экскаваторы с электроприводами (ЭП) различного типа и самосвалы, имеющие электромеханическую трансмиссию. Электромеханическое оборудование приводов главных механизмов отличается по составу и типу применяемых преобразователей, что влечет за собой увеличение эксплуатационных затрат. Самыми распространенными системами ЭП экскаваторов сегодня остаются система «генератор-двигатель» (Г-Д) и система «управляемый выпрямитель-двигатель» (ТП-Д). Проблема их применения в том, что электродвигатели постоянного тока имеют щеточно-коллекторный узел и повышенные массо-габаритные показатели. В отечественной практике имеются примеры создания и применения систем «непосредственный преобразователь частоты-асинхронный двигатель» (НПЧ-АД), в частности, в 1990 г был введен в эксплуатацию ЭШ-20.90 на разрезе Сафроновский ОАО «Востсибуголь», находящийся в эксплуатации по настоящее время. Система НПЧ-АД не получила широкого распространения из-за наличия ряда существенных недостатков. На сегодняшний день перспективной является система «преобразователь частоты-асинхронный двигатель» (ПЧ-АД) со звеном постоянного тока. Примерно та же ситуация обстоит с использованием ЭП мотор-колес самосвалов. Применение электродвигателя постоянного тока, позволившего повысить грузоподъемности самосвалов с 90 до 200 т в 70-е годы, нецелесообразно для дальнейшего развития карьерного автотранспорта вследствие снижения надежности коллектора при больших рабочих токах и частотах вращения и увеличения цены двигателей непропорционально росту мощности и массо-габаритных размеров. Наилучшим решением при реализации электротрансмиссии является применение бесконтактного асинхронного ЭП переменного тока главных приводов экскаваторов и самосвалов. Примеры реализации таких решений уже существуют как у зарубежных производителей, так и на карьерной технике отечественного производства. Достигать повышения эффективности использования машин горно-транспортного

комплекса (ГТК) следует за счет применения современного бесконтактного ЭП переменного тока на основе асинхронных двигателей и преобразователей частоты с активным выпрямителем при максимальной степени унификации структуры систем управления с использованием энергоэффективных алгоритмов управления и формирования единых подходов к его обслуживанию и оценке остаточного ресурса.

Степень разработанности:

Работа базируется на результатах исследований Вейнреба К.Б., Егорова А.Н., Зырянова И.В., Ключева В.И., Кулешова A.A., Марие-ва П.Л., Микитченко А .Я., Рудакова В.В., Серова H.A., Bellini А., Stone А. и др.

Цель работы - повышении эффективности использования электромеханического оборудования ГТК путем применения унифицированной структуры ЭП переменного тока главных механизмов экскаваторов и самосвалов с реализацией энергоэффективных алгоритмов управления и перехода на систему обслуживания электромеханического оборудования по фактическому состоянию.

Основные задачи исследования:

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выполнить сопоставительный анализ существующих горнотранспортных комплексов и организации их работы на предприятиях России;

• обосновать целесообразность сопоставления грузоподъемности самосвала и объема ковша экскаватора по принципу обеспечения оптимального числа циклов экскавации;

• выполнить математическое моделирование ЭП переменного тока самосвала и экскаватора с целью сопоставления их рабочих характеристик и разработки предложений по возможной унификации структуры электромеханического оборудования (ЭМО) ГТК;

• провести анализ существующих алгоритмов управления ЭП переменного тока и оценку показателей их быстродействия;

• исследовать энергетические и регулировочные характеристики частотно-регулируемого ЭП на модели при различных технологических режимах работы с использованием релейно-импульсных алгоритмов управления;

• выполнить анализ существующих методов диагностики и оценки состояния ЭМО ГТК;

• разработать рекомендации по подходу к обслуживанию и диагностике технического состояния и определению остаточного ресурса электродвигателей самосвалов и экскаваторов по параметрам потребляемого тока и напряжения питания двигателя.

Идея работы - повышение энергоэффективности ГТК достигается путем унификации структуры, алгоритмов управления и диагностики ЭМО ГТК.

Методы исследований. Для выполнения поставленных задач использовались методы теории ЭП, методы теории автоматического управления сложной электромеханической системой.

Математическое имитационное моделирование, расчеты и анализ полученных результатов проводились с использованием пакета БтиНпк прикладных программ МшЬаЬ.

При разработке рекомендаций по подходу к обслуживанию ЭМО по фактическому состоянию применялись методы ваттметрографии и спектрального анализа.

Научная новизна работы:

• обоснована эффективность формирования ГТК по принципу обеспечения наименьшего числа циклов экскавации;

• получены диаграммы режимов работы ЭП переменного тока в результате математического моделирования, подтверждающие возможность унификации структуры ЭП ГТК;

• обоснована целесообразность применения системы диагностики электродвигателей с использованием методов спектрального анализа и ваттметрографии;

• предложен переход на систему обслуживания ЭМО ГТК по фактическому состоянию с использованием методов ваттметрографии и спектрального анализа напряжения питания двигателя;

• обоснована эффективность применения релейно-импульсных алгоритмов управления для главных ЭП карьерных экскаваторов и мотор-колес самосвалов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Электромеханическое оборудование ГТК следует создавать на базе высокоэффективных бесконтактных асинхронных электроприводов с обеспечением высокой степени унификации структуры ЭП с реализацией алгоритмов максимального быстродействия в контуре тока (момента).

2. Эксплуатационная эффективность электромеханического оборудования ГТК повышается за счет перехода к обслуживанию по фактическому состоянию путем создания систем мониторинга, непрерывной диагностики и оценки остаточного ресурса.

Практическая ценность диссертации:

• предложен и обоснован рациональный подход к формированию ГТК с обеспечением оптимального числа циклов экскавации на основе грузоподъемности самосвала и объема ковша экскаватора;

• обосновано применение единой структуры ЭП переменного тока главных приводов экскаватора и самосвала с реализацией векторных и релейно-импульсных алгоритмов управления моментом асинхронного электродвигателя на основе математической модели;

• предложен и обоснован рациональный подход к построению системы обслуживания ЭМО ГТК по фактическому состоянию с применением методов спектрального анализа и ваттметрографии.

Обоснованность и достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается сходимостью результатов математического моделирования, экспериментальных исследований частотно-регулируемого ЭП с релейно-импульсными табличными алгоритмами управления не менее 95%.

Реализация результатов работы. Разработанные принципы, методы, механизмы и научно-практические рекомендации могут быть использованы:

- на предприятиях, занимающихся проектированием ЭП переменного тока для самосвалов и экскаваторов, в частности, на ОАО «ИЗ -КАРТЕКС им. П.Г. Коробкова» и ОАО «Силовые машины»;

- на горнодобывающих предприятиях МСК и ТЭК России, использующих большегрузный карьерный транспорт для выемки горной массы.

Результаты работы имеют практическое значение для модернизации системы обслуживания и построения рабочего процесса ГТК предприятий, занимающихся добычей полезных ископаемых открытым способом.

Личный вклад автора:

- проведено математическое моделирование ЭП переменного тока самосвала и экскаватора в различных режимах работы;

- обоснована необходимость применения релейно-импульсных алгоритмов управления ЭП карьерных экскаваторов и самосвалов;

- обоснована необходимость перехода на систему обслуживания ЭМО ГТК по фактическому состоянию с использованием методов ват-тметрографии и спектрального анализа;

-разработана модель функционирования базы данных повреждений асинхронного двигателя с применением алгоритмов нечеткого вывода.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях: XV Международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» в 2012 году в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу в 2012 году в Ивановском государственном энергетическом университете имени В.И. Ленина.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах, в том числе 1 работа в зарубежном издании, 3 работы в научных изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, 3 работы в других изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 186 страницах, содержит 49 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 120 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована идея работы, на основании которой определены цель и основные задачи исследования, а также научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В главе 1 выполнен анализ модельного ряда существующих экскаваторов и автосамосвалов, проведен анализ возможных структур формирования ГТК, существующих систем обслуживания ЭМО ГТК, сформулированы задачи по унификации структуры ЭП и подхода к обслуживанию.

В главе 2 рассмотрены способы подвода силового питания ЭП переменного тока самосвалов и экскаваторов, выполнено математическое моделирование ЭП переменного тока самосвала и экскаватора в среде Simulink программы MatLab, получены диаграммы работы ЭП хода экскаватора и мотор-колес самосвала в тяжелых режимах работы.

В главе 3 проведен анализ существующих систем диагностики ЭМО, предложена система непрерывной диагностики ЭМО с примене-

нием метода спектрального анализа питающего двигатель напряжения и тока с учетом потерь электроэнергии.

В главе 4 рассмотрены вопросы реализации системы непрерывного мониторинга и диагностики асинхронных двигателей по электрическим параметрам.

В главе 5 представлено технико-экономическое обоснование необходимости формирования ГТК по принципу обеспечения оптимального числа циклов экскавации на примере экскаватора ЭКГ-32Р и самосвала БелАЗ грузоподъемностью 220 т с использованием единого подхода в проектировании и построении системы ЭП переменного тока, а также с применением системы обслуживания по фактическому состоянию ЭМО.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Электромеханическое оборудование ГТК следует создавать на базе высокоэффективных бесконтактных асинхронных электроприводов с обеспечением высокой степени унификации структуры ЭП с реализацией алгоритмов максимального быстродействия в контуре тока (момента).

Для повышения эксплуатационной эффективности и снижения затрат на обслуживание ЭМО ГТК целесообразно применение ЭП переменного тока основных механизмов самосвала и экскаватора с высокой степенью унификации в части структуры и алгоритмов управления. При более детальном рассмотрении систем ЭП переменного тока современных экскаваторов и самосвалов сделан вывод об идентичности их структур и принципов построения.

На рисунках 1 и 2 приведены схемы ЭП самосвала и экскаватора с системой ПЧ-АД. Структура и принципы организации ЭП идентичны. Основное отличие состоит в организации электропитания. Для экскаватора это кабельная сеть с формированием источника постоянного напряжения посредством активного выпрямителя. Для автосамосвала-автономный источник типа синхронного генератора с формированием источника постоянного тока посредством неуправляемых выпрямителей. Исходя из этого, логичной становится задача унификации структуры ЭП экскаватора и самосвала. Поскольку ЭП мотор-колес самосвалов и механизмы напора и подъема одноковшовых экскаваторов отличаются экстремальными нагрузками, вплоть до полного стопорения, алго-

6кВ 50Гц

—__

_'—V—^—^ | Ь—

ТР

660 в

"ООО

ИН4 1,

"1-,-

Рисунок 1 - Схема приводов переменного тока экскаватора ЭКГ-32Р 7Р—вводной трансформатор экскаватора; ЛВ-активный выпрямитель; ИН-инвертор напряжения; ЛД-асинхронный двигатель; ДР-дроссель; Ят-

тормозной резистор

Правое мотор-колесо

(ад.

^

Редуктор

Кол.)

^^^ Левое мотор-колесо

АД:

Редуктор

Кол.)

Рисунок 2 - Схема привода переменного тока самосвала «БелАЗ»

грузоподъемностью 130-240 т Дб—диодный выпрямитель; СГ-синхронный генератор; ЯЯ-инвертор напряжения; В-возбудитель; ДД-асинхронный двигатель; Кол,-колесо

самосвала

ритмы управления ЭП переменного тока должны обеспечивать высокое быстродействие (реакцию системы на возникающие изменения момента на валу двигателя), ограничения по току и большую перегрузочную способность. В системах управления ЭП может быть реализован один из способов формирования напряжения питания: PWM (Pulse Width Modulation), SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation), DTC (Direct Torque Control). Способ формирования напряжения с помощью PWM требует постоянной частоты переключения ключей инвертора. Кроме того, для нормальной работы двигателя выпрямленное напряжение на входе инвертора должно в 2 раза превышать амплитудное значение фазного напряжения двигателя (включенного в «звезду»).

Способ формирования напряжения с помощью SVPWM обеспечивает более эффективное использование напряжения питания по сравнению с PWM. Векторная система управления характеризуется основным недостатком - относительно низким быстродействием системы (-100200 мС при резком ступенчатом изменении момента на валу двигателя) вследствие применения ПИ-регуляторов, составляющих ток статора, необходимости прямого и обратного преобразования координат ЭП, формирования при управлении по напряжению сигналов, компенсирующих перекрестные связи, большого количества вычислений при прямом и обратном преобразовании координат, вследствие чего возникает запаздывание в формировании электромагнитного момента (ограниченное быстродействие регуляторов тока).

Система формирования напряжения DTC выполнена по алгоритму прямого управления моментом, имеет более простую процедуру настройки. Способ формирования напряжения основан на табличном переключении ключей инвертора; ключи переключаются релейными регуляторами, работающими в скользящем режиме. В принципе работы DTC заложено гистерезисное управление потоком статора и вращающим моментом, при этом система управления непосредственно выбирает один из шести ненулевых или двух нулевых дискретных векторов напряжения инвертора. Благодаря этому обеспечивается наибольшее быстродействие системы. Использование указанного принципа позволяет управлять потоком и вращающим моментом без применения координатных преобразований. Выбор соответствующего вектора напряжения основан на таблице коммутации. Ширина петли гистерезисных регуляторов влияет на амплитуду колебаний момента и частоту переключений ключей инвертора. В результате работы системы модуль пото-

косцепления статора и электромагнитный момент асинхронного двигателя (АД) постоянно находятся в зоне допустимого отклонения от заданного значения, определяемого величиной гистерезиса соответствующего регулятора. Системы DTC обладают низкой чувствительностью к неточности информации о состоянии ЭП и механизма, вызванной неизбежными измерительными и вычислительными ошибками. Изложенная теория подтверждается и на практике. Анализ широкого спектра типов полупроводниковой техники на уровне изучения технической документации преобразователей частоты и систем управления ЭП переменного тока, а также практическая проверка на лабораторных макетах преобразователей частоты разных производителей показал, что применение релейно-импульсных алгоритмов управления позволяет добиться максимального быстродействия по контуру тока (момента); время реакции составляет 5-10 мС. На основании технических характеристик ряда ЭП третьего поколения ACS 880-04 (мощностью 400 кВт компании ABB), FR-F 740-09620-ЕС (мощностью 400 кВт компании Mitsubishi) и Sinamics G 130 (мощностью 400 кВт компании Siemens) проведен сопоставительный анализ ЭП с различными типами систем автоматического управления по быстродействию (времени реакции на изменение нагрузки), динамической и статической точности и коэффициенту нелинейных искажений (Total Harmonie Distortion-THD). Результаты сопоставительного анализа сведены в таблице 1. В результате проведенного анализа с учетом всех требований, предъявляемых к ЭП самосвалов и экскаваторов, можно сделать вывод о том, что принцип прямого управления моментом (DTC) обеспечивает высокое качество управления и может быть рекомендован для реализации системы автоматического управления ЭП переменного тока транспортных машин и установок для тяжелых условий эксплуатации, в том числе для карьерных автосамосвалов и экскаваторов.

Были построены математические модели (рисунок 3) ЭП хода и подъема экскаватора и ЭП мотор-колес самосвала в среде Simulink пакета программ MatLab с реализацией системы DTC. Модель настраивалась по параметрам реальных асинхронных двигателей, применяемых на экскаваторе ЭКГ-32Р и самосвале БелАЗ грузоподъемностью 136 т (таблица 2).

Таблица 1 - Сопоставление возможных систем управления ЭП

Способ организации автоматического управления Управление U/f= const, без датчика скорости САУ по алгоритму упрощенного векторного управления компании М^иЫзЫ серия РЯ-Б 740-09620-ЕС САУ по алгоритму векторного управления компании Siemens серии Sinamics G 130 САУ с разрывным управлением, компании ABB серии ACS 880-04

DTC (сДС) DTC (без ДС)

Линейность, % ±12 ±4 ±4 ±3 ±4

Повторяемость, % ±4 ±1 ±1 ±1 ±1

Время реакции при номинальном моменте, мс 150 50 100-150 5-10 5-10

Статистическая точность, % ±(1-3) +0,2% от максимальной выходной частоты ±0,01 ±0,01 ±(0,1-0,5)

Динамическая точность, %*с 3 0,4 0,3 0,1 0,4

ТГО, % н/д н/д = 3 8,5-9 8,5-9

Таблица 2 - Основные технические данные двигателей

Типы двигателей Мотор-колесо самосвала г/п 136т(КТЭ-136) В составе электропривода хода экскаватора ЭКГ-32Р В составе электропривода подъема экскаватора ЭКГ-32Р

Мощность в режиме тяги (хода), кВт 2x500 2x400 2x850

Номинальный ток АД, А 550 392 831

Частота вращения АД номинальная, мин"1 максимальная, мин"1 1000 3400 992 992

Коэффициент мощности АД в номинальном режиме 0,84 0,84 0,84

КПД АД, % 93 95 95

Выпрямленное напряжение, В 950 735 735

Количество пар полюсов 3 3 3

^ ном 0,093 0,086 0,086

Математическая модель АД описана классической системой дифференциальных уравнений пятого порядка и построена при следующих допущениях: отсутствуют потери в стали; магнитная и электрическая симметрии учтены в соответствии с уравнениями электромагнитного равновесия АД; величина воздушного зазора постоянна; реальная рас-пределеленная обмотка заменена эквивалентной сосредоточенной, создающей ту же магнитодвижущую силу; машина обладает симметричным ротором; магнитные поля и магнитодвижущие силы обмоток распределены вдоль окружности воздушного зазора по синусоидальному закону; сдвиг фаз строго на угол 120°.

Осциллограф 1

Осциллограф 2

Рисунок 3- Математичекая модель ЭП В - выпрямитель напряжения (активный выпрямитель в случае экскаватора и диодный многопульсный выпрямитель в случае самосвала); ИН- инвертор напряжения; АД - асинхронный двигатель; СУ-система управления электроприводом По результатам исследований на математической модели были получены диаграммы работы ЭП в динамических режимах. На диаграмме, полученной при моделировании ЭП подъема экскаватора (ри-

сунок 4), в момент времени 1=2,5 с происходит резкий рост момента на валу М=2,5*М„ом (при максимальной кратности момента 1,7*Мном) вплоть до полного стопорения ковша экскаватора с одновременным снижением скорости. Из диаграммы момента видно, что реакция системы на изменение момента на валу двигателя составляет 5-10 мС, что соответствует заявленным значениям быстродействия реальных электроприводов и указывает на возможность применения алгоритма ОТС для ЭП подъема экскаватора.

На рисунке 5 представлены диаграммы работы ЭП хода экскаватора в режиме, соответствующем перегрузке электродвигателей по критическому моменту, кратному М=1,7*Мном. Из диаграммы видно, что максимальная перегрузка присутствует в момент начала движения экскаватора, далее происходит снижение до значения Мкр= 1,1*М„ом. После выхода на номинальную частоту вращения двигателя со=98 рад/с (соответствует максимальной линейной скорости 0,88 км/ч) происходит снижение момента до М=Мном, далее момент снижается до значения М=0,6*Мном с последующим плавным торможением. При моделировании режимов работы ЭП переменного тока карьерного самосвала грузоподъемностью 136 т брался режим подъема с перегрузкой тяговых двигателей М=2,5*М„ом. Как видно из представленной диаграммы, максимальная перегрузка возникает в момент начала движения, затем происходит снижение момента до М=1,8*Мном. По достижении заданной частоты вращения вала двигателя со= 120 рад/с, что соответствует линейной скорости движения самосвала 35 км/ч, происходит снижение момента сопротивления до значения М=1,5*Мном. Далее момент снижается до значения М=1Д*М„ом, что соответствует выходу самосвала на более ровную поверхность. Следующее изменение момента подразумевает выход самосвала на ровную поверхность, момент снижается до М=0,5*Мном, после чего следует плавное торможение.

Проведенный анализ диаграмм рассматриваемых ЭП показал идентичность режимов работы ЭП хода экскаватора и мотор-колес самосвала. Анализ диаграммы ЭП подъема показал большую, по сравнению с векторной системой управления, перегрузочную способность и снижение перерегулирования момента (в среднем на 15 %). Перерегулирование по частоте вращения составляет менее 5 %. Принцип прямого управления моментом обеспечивает высокое качество управления, более высокое быстродействие и ограничение перерегулирования момента АД (по сравнению с алгоритмами векторного управления), а,

Ток фаз А,В.О

■'Ншп I пшжл вд^шкнатмвнямяшрвмшшя^

М. Н-т

и юч Момент электромагнитный

Рисунок 5 - Диаграммы токов фаз, частоты вращения ротора и электромагнитного момента ЭП хода экскаватора

Рисунок 4 - Диаграммы токов фаз, частоты вращения ротора и электромагнитного момента ЭП подъема экскаватора

СО, рад/с

Частота вращения ротора

М, Н*т Электромагнитный момент

Л

1 №9 * Н ■■ 1"

о о ю 15 го гэ зо 35

Рисунок 6 - Диаграммы токов фаз, частоты вращения ротора и электромагнитного момента ЭП мотор-колеса самосвала

следовательно, и ограничение динамических нагрузок на механизмы экскаватора и самосвала. Идентичность режимов работы реальных ЭП экскаватора и самосвала и их успешная реализация с использованием алгоритмов прямого управления моментом при математическом моделировании свидетельствует о возможности унифицированного подхода в проектировании ЭМО ГТК на базе высокоэффективных бесконтактных асинхронных ЭП с обеспечением максимального быстродействия в контуре тока (момента).

2. Эксплуатационная эффективность электромеханического оборудования ГТК повышается за счет перехода к обслуживанию по фактическому состоянию путем создания систем мониторинга, непрерывной диагностики и оценки остаточного ресурса.

Используемая на горных предприятиях МСК и ТЭК при эксплуатации добычного комплекса (самосвалов и экскаваторов) система планово-предупредительных ремонтов (ППР) и обслуживания по наработке оборудованием определенного числа мотор-часов является низкоэффективной ввиду того, что ремонты производятся по заранее запланированным графикам или по подсчету выработки часов оборудования. По этой причине возрастает риск возникновения неучтенных повреждений. С другой стороны, неоправданные ППР на исправном оборудовании ведут к повышению эксплуатационных затрат, увеличению потерь производственного времени.

Вышеперечисленное указывает на нецелесообразность применения существующей системы обслуживания и на необходимость перехода на систему обслуживания ЭМО по фактическому состоянию с использованием систем мониторинга и диагностики. Данная система обслуживания позволит оптимизировать материально-технические затраты и уменьшить потери, обусловленные плановыми простоями и необходимостью проведения внеплановых ремонтов. Система позволит предотвратить аварийные ситуации, которые влекут за собой долгосрочные ремонты. Для диагностики электромеханической части должны применяться методы, основанные на анализе спектрального состава тока и напряжения, поскольку они дают высокую точность определения повреждений электрической машины. В частности, может быть использован метод ваттметрографии, суть которого заключается в регистрации параметров питающего двигатель напряжения и потребляемого тока с построением ваттметрограмм, по которым отслеживаются потери мощ-

ности. Любые повреждения (напрямую или косвенно) приводят к увеличению потерь и снижению КПД, то есть при той же отдаваемой мощности потребляемая мощность увеличивается, причем при различных видах повреждений дополнительная составляющая потерь будет по-разному зависеть от отдаваемой мощности. Снимая ваттметрограммы через определенный период, можно определить, как меняется техническое состояние ЭМО. При наличии достаточного объема статистических данных можно предсказать динамику этих изменений, то есть оценить остаточный ресурс. Более подробную информацию несут ваттметрограммы, построенные для отдельных частотных составляющих мощности. Для повышения точности метод ваттметрографии может быть применен в совокупности с методом спектрального анализа питающего двигатель тока и напряжения (на способ подана заявка на патент № 2013135607, вх. № 053400 от 29.07.2013, «Способ диагностики и оценки остаточного ресурса электроприводов переменного тока», авторы: Жуковский Ю.Л., Таранов С.И.). Метод основан на выявлении корреляционной связи между характерными повреждениями элементов электрической и механической части оборудования и параметрами генерируемых электродвигателем высщих гармонических составляющих токов и напряжений. При этом отсеиваются частотные составляющие, возникающие вследствие работы недиагностируемого оборудования и составляющие, поступающие из сети. Увеличение коэффициентов искажений на исследуемых частотах свидетельствует о развитии неисправностей, которые могут быть отслежены в функции времени. Величина искажений на определенной частоте будет расти по мере развития неисправности вплоть до полного выхода оборудования из строя. Производя мониторинг потребляемой мощности и отслеживая неисправности на эталонном оборудовании через определенные интервалы времени, в дальнейшем можно оценить величину отработанного ресурса диагностируемого оборудования того же типа из выражения:

N .

Л^^перГР/Д',. ' Ш

/=1

где:ЛТИ£р, - коэффициент перегрузки при /'-том замере;/?, - приведенные потери при /-том замере, определяемые по эксплуатационным характеристикам^?,-длительность интервала времени между замерами, в течение которого нагрузка принимается неизменной, ч.

Пользуясь понятием ресурса можно определить ожидаемый остаточный ресурс:

V . (2)

Г =

р. ост

1—

*^ном У

• р.ном

где: •/„„.„- номинальный остаточный ресурс; Трном-номинальный срок службы.

После выявления зависимостей развития неисправности и роста коэффициентов частотных составляющих параметров питания двигателя производится экспертная оценка развития неисправности и степени ее серьезности. Эти сведения заносятся в базу данных, работающую по принципу нечеткой логики, где терм-множествам соответствуют степени развития контролируемой неисправности, определяющей ее критичность в конкретный момент времени. По функции времени развития контролируемой неисправности, полученной ранее, может быть спрогнозирован остаточный ресурс оборудования с примерными сроками выхода его из строя.

Основными эффективными методами решения задач отраслевого развития и управления являются создание и внедрение в производство эффективных технологических комплексов, рационализация производства, обеспечение типизации технологий, унификации электротехнических комплексов, а также эффективная организация работ обслуживающих ГТК подразделений. В рамках одного карьера при использовании однотипного оборудования и применении единой системы диагностики ЭМО может быть достигнут значительный экономической эффект ввиду сокращения затрат на обслуживание, сокращения времени простоев на проведение ППР и капитальных ремонтов и снижения затрат на подготовку обслуживающего персонала. Эксплуатационная эффективность использования ГТК достигается за счет оптимизации его структуры по принципу обеспечения числа циклов экскавации от 3 до 5 для загрузки одного самосвала исходя из сопоставления вместимости ковша экскаватора и грузоподъемности самосвала:

(3)

Не

где: да- грузоподъемность самосвала, т; цс- расчетная масса породы в ковше экскаватора, т.

Этот подход позволит сократить время ожидания и загрузки одного самосвала в среднем на 15-25%, расход ГСМ в среднем на 5% по отношению к комплексам, имеющим среднее число циклов экскавации 6-9, а также позволит сократить энергопотребление экскаваторов для добычи

того же объема горной массы. В совокупности все предложенные мероприятия позволят достигнуть значительного экономического эффекта при эксплуатации ГТК за счет совместного обслуживания, диспетчеризации и диагностики.

В исследовании представлено технико-экономическое обоснование внедрения предложенных мероприятий, в частности принципа построения комплекса по обеспечению наименьшего числа циклов экскавации на примере экскаватора ЭКГ-32Р и самосвалов БелАЗ 75311 грузоподъемностью 240 т. Экономический эффект может быть определен через предложенную формулу расчета чистого дисконтированного доход (ЧДД), представляющего собой алгебраическую сумму выгод и издержек предложенных мероприятий, дисконтированных по ставке дисконта. Для расчета ЧДД по предложенным в диссертационном исследовании мероприятиям необходимо использовать показатели по увеличению эффективности использования рабочего времени, экономии затрат за счет снижения простоев оборудования, экономии затрат на оплату труда и обучение персонала, производящего контроль и настройку ЭМО, а также показатели снижения затрат за счет применения единой структуры ЭП. Предложенные в исследовании мероприятия имеют двусторонний эффект для предприятий, эксплуатирующих ГТК, и для предприятий, производящих экскаваторы и самосвалы, и рассчитываются для каждого случая отдельно. В связи с отсутствием информации по большинству таких показателей в диссертационном исследовании не производился конкретизированный расчет эффекта для отдельно взятого предприятия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная задача повышения эксплуатационный эффективности горно-транспортных комплексов путем совершенствования алгоритмов управления электроприводом переменного тока и системы технического обслуживания электромеханического оборудования горно-транспортного комплекса посредством реализации системы непрерывной диагностики с применением методов спектрального анализа.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе выполненного сопоставительного анализа существующих ГТК и организации их работы на предприятиях обоснована целесообразность сопоставления грузоподъемности самосвала и объема ковша экскаватора по принципу обеспечения оптимального числа циклов экскавации.

2. По результатам проведенного математического моделирования ЭП переменного тока экскаватора и самосвала, получены диаграммы работы каждого ЭП в номинальных режимах и в режимах работы с перегрузкой. На основе сопоставительного анализа полученных диаграмм сделан вывод о возможности применения алгоритма прямого управления моментом с обеспечением максимального быстродействия в контуре тока (момента) при управлении главными ЭП экскаватора и мотор-колес самосвала.

3. На основе проведенного анализа существующих методов диагностики неисправностей двигателей для оценки состояния и прогнозирования остаточного ресурса ЭМО ГТК предложены методы ваттмет-рографии и анализа спектрального состава тока и напряжения.

4. Разработаны рекомендации по подходу к обслуживанию электромеханического оборудования ГТК.

5. Разработан алгоритм оценки состояния ЭМО по электрическим параметрам питающего двигатель напряжения с применением математической модели базы знаний на основе нечеткого вывода.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Козярук, А.Е., Таранов, С.И. Применение унифицированной системы управления электроприводами самосвала и экскаватора и способы ее диагностики // «Вестник Ивановского Энергетического университета» выпуск № 1, г. Иваново, 2013г., стр. 104-108.

2. Таранов, С.И. Тенденции в развитии систем управления и диагностики электромеханического оборудования горно - транспортного комплекса // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ) выпуск №5, г. Москва, 2013г., стр. 46-47.

3. Козярук, А.Е., Таранов, С.И., Самолазов, A.B. Направления повышения эффективности эксплуатации экскаваторно-автомобильных комплексов на открытых горных работах // Журнал «Горное оборудование и электромеханика» №1, 2014г., стр. 6-11.

В других изданиях

4. Таранов, С.И. Автоматизированные системы управления горно -транспортными комплексами // Сборник трудов XV Международной конференции «Электроприводы переменного тока 2012», г. Екатеринбург, 2012г., стр. 221-224.

5. Таранов, С.И. Системы управления современных приводов переменного тока самосвалов и экскаваторов // VIII Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «МОЛОДЁЖЬ И НАУКА», г. Красноярск, 2012г., стр. 207-210.

РИЦ Горного университета. 24.04.2014. 3.347. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

04201460033

На правах рукописи

ТАРАНОВ Сергей Игоревич

СТРУКТУРА И СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГОРНО-ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Козярук А.Е.

Санкт-Петербург-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.............................................................................. 4

1 Формирование горно-транспортных комплексов для обеспечения эффективной добычи транспортировки твердых ископаемых на открытых разработках............................................................ 11

1.1 Необходимость создания единого подхода для формирова комплексов для добычи и транспортировки горной массы................. 13

1.2 Снижение затрат на проектирование и обслуживание электромеханического оборудования горно-транспортного комплекса путем унификации его структуры........................................................................... 20

1.3 Оптимальная структура систем диагностики и определения остаточного ресурса электромеханического оборудования горнотранспортного комплекса........................................................ 24

1.4 Выводы по главе 1......................................................... 32

2 Унифицированный подход в формировании структуры систем управления электроприводов переменного тока горно-транспортного комплекса........................................................................... 33

2.1 Специфика и особенности применения электропривода переменного тока на современных большегрузных самосвалах и экскаваторах......................................................................... 34

2.2 Унифицированный подход к построению алгоритмов управления электроприводом переменного тока горно-транспортного комплекса............................................................................ 44

2.3 Построение математической модели электропривода экскаватора и самосвала с применением системы прямого управления моментом...................................................................................................... 59

2.4 Выводы по главе 2.......................................................... 71

3 Повышение эксплуатационной эффективности электромеханического оборудования горно-транспортного комплекса за счет перехода на систему обслуживания по фактическому состоянию......................................................... 72

3.1 Системы мониторинга, диагностики и оценки остаточного ресурса электромеханического оборудования горно-транспортного комплекса............................................................................ 75

3.2 Виды повреждений электрических машин и существующие методы их диагностики........................................................... 82

3.3 Применение методов ваттметрографии и спектрального

Ь

анализа для оценки технического состояния электромеханического оборудования горно-транспортного комплекса.......................... 92

3.4 Алгоритм непрерывного отслеживания повреждений и оценки остаточного ресурса с использованием базы данных повреждений ... 108

3.5 Пример реализации модели нечеткой классификации дефектов для диагностической системы электромеханического оборудования в программе МаЛаЬ.................................................................. 119

3.6 Выводы по главе 3.......................................................... 124

4 Примеры реализации системы диагностики по спектральному составу тока и напряжения.............................................................. 128

4.1 Построение системы технической диагностики электромеханического оборудования по электрическим параметрам.......................................................................... 129

4.2 Аппаратная реализация системы диагностики с применением методов спектрального анализа и ваттметрографии........................ 131

4.3 Программная реализация системы диагностики электромеханического оборудования горно-транспортного комплекса............................................................................. 139

4.4 Выводы по главе 4.......................................................... 147

5 Технико-экономическое обоснование применения унифицированного подхода в проектировании, обслуживании и формировании горно-транспортных комплексов........................... 148

5.1 Критерии оценки эффективности работы горно-транспортных комплексов......................................................................... 149

5.2 Обоснование необходимости связи самосвалов и экскаваторов в горно-транспортный комплекс на примере экскаватора ЭКГ-32р и самосвалов БелАЗ.................................................................. 152

5.3 Оценка экономической эффективности внедрения системы диагностики и мониторинга электромеханического оборудования горно-транспортных комплексов................................................ 160

5.4 Оценка экономической эффективности предложенных мероприятий......................................................................... 162

5.5 Выводы по главе 5.......................................................... 171

Заключение........................................................................... 172

Список литературы................................................................. 174

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Наиболее распространенным видом добычи полезных ископаемых на горнодобывающих предприятиях России является добыча открытым способом, а основными средствами реализации погрузочно-доставочных работ- большегрузные карьерные самосвалы и экскаваторы. Рынок большегрузной техники сегодня имеет различные решения по формированию горно—транспортных комплексов (экскаватор и самосвал), но наиболее эффективными остаются экскаваторы с электроприводами (ЭП) различного типа и самосвалы, имеющие электромеханическую трансмиссию. Электромеханическое оборудование приводов главных механизмов отличается по составу и типу применяемых преобразователей, что влечет за собой увеличение эксплуатационных затрат. Самыми распространенными системами ЭП экскаваторов сегодня остаются система генератор-двигатель (Г-Д) и система «управляемый выпрямитель-двигатель» (ТП-Д). Проблема их применения-электродвигатели постоянного тока, имеющие щеточно-коллекторный узел и повышенные массо-габаритные показатели. Имеются примеры создания и применения в отечественной практике систем «непосредственный преобразователь частоты-асинхронный двигатель» (НПЧ-АД), в частности в 1990 г был введен в эксплуатацию ЭШ 20.90 на разрезе "Сафроновский" ОАО "Востсибуголь", находящийся в эксплуатации по настоящее время. Система НПЧ-АД не получила широкого распространения из-за наличия ряда существенных недостатков. На сегодняшний день перспективной является система «преобразователь частоты-асинхронный двигатель» со звеном постоянного тока. Примерно та же ситуация обстоит с использованием ЭП мотор-колес самосвалов. Применение электродвигателя постоянного тока, позволившего повысить грузоподъемности самосвалов от 90 до 200 т в 70-е годы, нецелесообразно для дальнейшего развития карьерного автотранспорта из-за снижения

надежности коллектора при больших рабочих токах и частотах вращения и увеличения цены двигателей непропорционально росту мощности и массо-габаритных размеров. Повышение эффективности использования машин горно-транспортного комплекса (ГТК) за счет применения современного бесконтактного ЭП переменного тока на основе асинхронных двигателей и преобразователей частоты с активным выпрямителем при максимальной степени унификации структуры систем управления, с использованием энергоэффективных алгоритмов управления и формирования единых подходов к его обслуживанию и оценке остаточного ресурса является актуальной научно-технической задачей.

Степень разработанности

Работа базируется на результатах исследований Кулешова A.A., Серова H.A., Рудакова В.В., Мариева ПЛ., Егорова А.Н., Зырянова И.В., Вейнреба К.Б., Bellini А., Ключева В.И., Микитченко А.Я. и др.

В работах Рудакова В.В., Мариева П.Л., Зырянова И.В. рассматриваются проблемы повышения эксплуатационной эффективности горно-транспортных комплексов за счет сокращения времени простоев и оптимизации обслуживания. Однако в работах не рассматриваются вопросы совместной диагностики и определения остаточного ресурса электромеханического оборудования (ЭМО) самосвалов и экскаваторов. В работах также не рассматриваются вопросы унифицированного подхода к проектированию электромеханического оборудования горно-транспортных комплексов.

В работах Вейнреба К.Б., Bellini А. рассматриваются вопросы диагностики технического состояния двигателей методами спектрального анализа питающего напряжения и тока. Однако в работах не рассматривается создание единой базы данных повреждений.

В настоящее время остаются нерешенными ряд вопросов, связанных с унификацией состава электромеханического оборудования горнотранспортного комплекса, вопросы применения асинхронного электропривода для главных механизмов экскаватора и самосвала и вопросы единого подхода к диагностике и перехода на систему обслуживания по фактическому состоянию электромеханического оборудования.

Цель работы - повышение эффективности использования электромеханического оборудования горно-транспортных комплексов путем применения унифицированной структуры электропривода переменного тока главных механизмов экскаваторов и самосвалов с применением энергоэффективных алгоритмов управления и перехода на систему обслуживания электромеханического оборудования по фактическому состоянию.

Идея работы — выбор унифицированной структуры электроприводов машин горно-транспортных комплексов и эффективных алгоритмов управления и диагностики электромеханического оборудования.

Основные задачи исследования:

для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

- выполнить сопоставительный анализ существующих горнотранспортных комплексов и организации их работы на предприятиях России;

- обосновать целесообразность сопоставления грузоподъемности самосвала и объема ковша экскаватора по принципу обеспечения оптимального числа циклов экскавации;

- выполнить математическое моделирование ЭП переменного тока самосвала и экскаватора с целью сопоставления их рабочих характеристик и разработки предложений по возможной унификации структуры электромеханического оборудования горно-транспортных комплексов;

— провести анализ существующих алгоритмов управления ЭП переменного тока и оценку показателей их быстродействия;

— исследовать энергетические и регулировочные характеристики частотно-регулируемого ЭП на модели при различных технологических режимах работы с использованием релейно-импульсных алгоритмов управления;

— выполнить анализ существующих методов диагностики и оценки состояния электромеханического оборудования горно—транспортных комплексов;

— разработать рекомендации по подходу к диагностированию технического состояния и определению остаточного ресурса электродвигателей самосвалов и экскаваторов по параметрам потребляемого тока и напряжения питания двигателя;

Методы исследований

Для выполнения поставленных задач использовались методы теории электропривода, методы теории автоматического управления сложной электромеханической системой.

Математическое имитационное моделирование, расчеты и анализ полученных результатов проводились с использованием пакета БттИпк прикладных программ МаНаЬ.

Применение методов ваттметрографии и спектрального анализа при разработке систем мониторинга и диагностики электромеханического оборудования.

Научная новизна работы

— обоснована эффективность построения горно-транспортных комплексов по принципу обеспечения наименьшего числа циклов экскавации;

- при математическом моделировании получены диаграммы режимов работы электропривода переменного тока, подтверждающие возможность унификации структуры электропривода горно-транспортных комплексов;

- обоснована целесообразность применения системы диагностики электродвигателей с использованием методов спектрального анализа и ваттметрографии.

- предложен переход на систему обслуживания электромеханического оборудования горно-транспортных комплексов по фактическому состоянию с использованием методов ваттметрографии и спектрального анализа напряжения питания двигателя.

- обоснована эффективность применения релейно-импульсных алгоритмов управления для главных ЭП карьерных экскаваторов и мотор-колес самосвалов.

Практическая ценность диссертации:

- предложен и обоснован рациональный подход к формированию ГТК с обеспечением оптимального числа циклов экскавации на основе грузоподъемности самосвала и объема ковша экскаватора;

- обосновано применение единой структуры ЭП переменного тока главных приводов экскаватора и самосвала с применением векторных и релейно-импульсных алгоритмов управления моментом асинхронного электродвигателя на основе математической модели;

- предложен и обоснован рациональный подход к построению системы обслуживания ЭМО ГТК по фактическому состоянию с применением методов спектрального анализа и ваттметрографии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Электромеханическое оборудование ГТК следует создавать на базе высокоэффективных бесконтактных асинхронных электроприводов с обеспечением высокой степени унификации структуры ЭП с реализацией алгоритмов максимального быстродействия в контуре тока (момента).

2. Эксплуатационная эффективность электромеханического оборудования ГТК повышается за счет перехода к обслуживанию по фактическому состоянию путем создания систем мониторинга, непрерывной диагностики и оценки остаточного ресурса.

Практическая ценность диссертации:

- предложен и обоснован рациональный подход к формированию ГТК с обеспечением оптимального числа циклов экскавации на основе грузоподъемности самосвала и объема ковша экскаватора;

- обосновано применение единой структуры ЭП переменного тока главных приводов экскаватора и самосвала с применением векторных и релейно-импульсных алгоритмов управления моментом асинхронного электродвигателя на основе математической модели;

- предложен и обоснован рациональный подход к построению системы обслуживания ЭМО ГТК по фактическому состоянию с применением методов спектрального анализа и ваттметрографии.

Обоснованность и достоверность полученных результатов,

выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается сходимостью результатов математического моделирования,

экспериментальных исследований частотно-регулируемого ЭП с релейно-импульсными табличными алгоритмами управления не менее 95%.

Реализация результатов работы

Разработанные принципы, методы, механизмы и научно-практические рекомендации могут быть использованы:

- на предприятиях, занимающихся проектированием ЭП переменного тока для самосвалов и экскаваторов, в частности на ОАО «ИЗ - Картекс им. П.Г. Коробкова» и ОАО «Силовые машины»;

- на горнодобывающих предприятиях МСК и ТЭК России, использующих большегрузный карьерный транспорт для выемки горной массы.

Результаты работы имеют практическое значение для модернизации системы обслуживания и построения рабочего процесса ГТК предприятий, занимающихся добычей полезных ископаемых открытым способом.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях: Международной пятнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» в 2012 году в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу в 2012 году в Ивановском государственном энергетическом университете имени В.И. Ленина.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах, в том числе 1 работа в зарубежном издании, 3 работы в научных изданиях, включенных в «Перечень ВАК РФ», 3 работы в других изданиях.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 186 страницах, содержит 49 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 120 наименований.

1 ФОРМИРОВАНИЕ ГОРНО-ТРАНСПОРТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ДОБЫЧИ ТРАНСПОРТИРОВКИ

ТВЕРДЫХ ИСКОПАЕМЫХ НА ОТКРЫТЫХ РАЗРАБОТКАХ

Минерально-сырьевой комплекс (МСК) продолжает играть ключевую роль в социально-экономическом развитии России. Основной проблемой практического плана является экономически низкоэффективное функционирование добывающих и перерабатывающих сырье производств.

Нерациональное использование природно-ресурсной базы, ухудшение горно-геологических условий месторождений, значительная степень износа основных производственных фондов, отсутствие современных технологий добычи сырья, высокая степень опасности производства приводят к тому, что непрерывно растут издержки производства. Высокая себестоимость добычи минерального сырья и выпуска �