Разработка и исследование системы двухдвигательного электропривода конвейеров для транспортировки сыпучих материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Тарасов, Андрей Сергеевич

• Тарасов, Андрей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тарасов, Андрей Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 МНОГОПРИВОДНЫЙ ЛЕНТОЧНЫЙ КОНВЕЙЕР ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ

1.1 Электропривод конвейера транспортировки сыпучих грузов

1.2 Динамические процессы ЭМС ленточного конвейера и

анализ исполнительных элементов

1.3 Регулируемый электропривод для подъемно - транспортных

механизмов

Постановка задач исследования

2 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЛЕНТОЧНОГО

КОНВЕЙЕРА КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Динамические нагрузки и демпфирующая способность привода

при использовании асинхронного двигателя

2.2 Исследование двухмассовой электромеханической системы с

учетом естественного демпфирования

2.3 Электромеханическая система конвейера с распределенными

параметрами как объект управления

Выводы

3 СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

С УПРУГИМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВЯЗЯМИ

3.1 Модель системы управления двухдвигательного электропривода конвейера на базе асинхронного двигателя

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

3.3 Адаптивная система управления электроприводом с распределен -

ными параметрами механической системы ленточного конвейера

3.4 Согласующее устройство скоростей исполнительных

элементов двухдвигательной приводной станции

Выводы

4 АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫМ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА

4.1 Структура системы автоматического управления

4.2 Практическое исследование применяемого корректора подавления упругих колебаний для промышленного контроллера

4.3 Оценка энергетической эффективности регулируемых

электроприводов

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Исходные данные электропривода и параметры

механической части конвейера

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

обеспечении Concept 2.2

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Влияния значения коэффициента коррекции для

уменьшения упругих колебаний в ЭМС конвейера

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Акты об использовании результатов диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование системы двухдвигательного электропривода конвейеров для транспортировки сыпучих материалов»

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 менее рентабельна. Основным условием, определяющим влияние негативных факторов на надежность функционирования конвейеров, относится возможность продольного и поперечного порыва ленты при возникновении упругих колебаний, а также отказы в работе электрооборудования и сбои в системах технологических защит и управления [1]. В металлургическом производстве многие ЭП ленточных конвейеров используют нерегулируемый или регулируемый привод при помощи многоступенчатого реостата. Для определенных случаев это обусловлено исключением необходимости применения компенсации негативных воздействий, при приеме сыпучего материала и доставке к загрузочному устройству доменной печи. Структура управления группой конвейеров или одним агрегатом для транспортировки материала должна обеспечить плавный пуск транспортёрной ленты и стабильное движение, а также взаимосвязь между транспортными линиями, исключающие заштыбовку мест перегрузки.

Основные требования, предъявляемые к ЭП конвейеров, следующие:

- обеспечение плавного пуска двигателей с ограниченными значениями моментов и ускорений с целью безударного выбора зазоров в зубчатых передачах в начальный период трогания;

- ограничение динамических усилий тягового органа;

- получение надежного сцепления ленты с приводными барабанами;

- создание значительных моментов при трогании конвейера в начале его пуска, поскольку сопротивления трения в покое примерно в 1,5 раза превышают сопротивления трения при движении [1], а также из-за возможного наличия грязи в ходовых частях механизмов;

- поддержание в установившемся режиме заданной скорости движения рабочего органа.

Период установившегося движения занимает основное время в конвейерных установках, поэтому их ЭП характеризуются продолжительным режимом работы. Чаще всего в установившихся режимах конвейеры работают с одной скоростью, однако в ряде случаев требуется регулирование скорости, в частности для поддержания необходимого сцепления между лентой и барабанами и в варианте случайной нагрузки.

Система управления должна обеспечивать дополнительную небольшую скорость для проведения осмотра ленты при ее ревизии, ремонтных работах. Кроме того, в случаях изменения грузопотока конвейеров лента значительное время может работать с недогрузкой. При этом рационально уменьшить скорость конвейера, чтобы лента работала с полной нагрузкой. В этих случаях в зависимости от количества, поступающего на конвейер груза, целесообразно обеспечить автоматическое регулирование скорости ленты с плавным переходом от одного уровня скорости к другому [93]. Необходимость равномерного распределения нагрузки между двигателями в многодвигательном электроприводе конвейеров обусловлено различием жесткости характеристик отдельных двигателей. Эксперименты показывают, что для асинхронных ЭП с номинальным скольжением двигателей 4-6 % отклонения в нагрузках разных двигателей достигают 15-30 % [1,3]. Для выравнивания нагрузок в настоящее время используется следующий способ -синхронизация скорости асинхронных двигателей, с постоянным включением в цепь ротора сопротивлений.

Для обеспечения нормальной работы транспортера в основном режиме и режиме отладки используются два режима: дистанционное и местное управление.

При дистанционном автоматизированном управлении пуск главного транспортера и группы конвейеров для питания основного производится кратковременным нажатием пусковой кнопки и для исключения завалов ленты осуществляется в определенной последовательности, а именно, против направления потока груза. Плановая остановка конвейерной линии производится в обратном порядке, т.е. последовательно, по направлению потока.

Для монтажа, наладки и текущего профилактического ремонта обеспечивают перевод всех механизмов конвейера на местное управление. В режиме местного управления предусматривается управление с пульта, расположенного вблизи каждой приводной станции. В этом режиме привод должен обеспечивать пониженную скорость конвейера, что осуществляется вспомогательным приводом, установленным для производства ремонтных работ.

Использование современных микроконтроллеров в автоматизированном электроприводе требуется для согласования систем частотно - управляемого преобразователя с остальными элементами подачи и сортировки шихты при транспортировке к загрузочному устройству доменной печи. Обеспечение постоянства потока на выходе конвейера осуществляется через регулирование скорости электропривода, причем это производится при разгрузке материала и при следующей последовательности выгрузке в приемный бункер. При расчете требуемых диапазонов и работы на пониженной скорости требуется учитывать специфику рассматриваемого объекта. Для обеспечения потока материала, равным 3200 тонн в час, необходимо поддерживать рабочую скорость равной двум метрам в секунду для рассматриваемого конвейера (таблица 1 П 1, таблица 3 П 1). В зависимости от хода доменных печей и требуемого цикла загрузки производительность может уменьшаться до 320 тонн в час. В соответствии с этим рабочий диапазон скоростей составляет от 10 до 100 % скорости электродвигателя или с соотношением 10:1. При этом должна обеспечиваться возможность плавного регулирования скорости, при переходах с одного уровня на другой для исключения просыпей транспортируемого груза, образования перегрузок, воздействующих на роликоопоры и механизмы приводной станции.

1.2 Динамические процессы ЭМС ленточного конвейера и анализ исполнительных элементов

Несмотря на то, что ленточный конвейер характеризуется непрерывным режимом работы, в его элементах все же возникают динамические нагрузки, характеризующиеся определенной частотой. При совпадении этой частоты с частотой собственных колебаний опорной конструкции может возникнуть нежелательное явление резонанса. При работе ленточного конвейера имеют место следующие динамические процессы:

- в месте загрузки кусковым материалом, при падении его, возникают удары с весьма быстрым нарастанием усилия ( Т « 0,001с);

- при прохождении роликовых опор лента испытывает поперечные колебания;

- в пусковые периоды имеют место продольные колебания ленты.

Ударные нагрузки (при загрузке, имеющей очень высокую частоту) можно

уменьшить практически до нуля при соответствующей конструкции загрузочного лотка [1,80].

Поперечные колебания ленты в пролете между роликовыми опорами зависят от натяжения ленты, и их значения можно определить. Рассматривая ленту с материалом (или без него) как однородную струну линейной плотности (кг/м) p=q+qn или р = Яп, находящуюся под натяжением 8ни движущуюся относительно опор, расположенных с интервалом ер со скоростью V (м/с), период колебаний составит [79]:

(1.1)

и частотой

(1.2)

При больших амплитудах поперечных колебаний материал растекается по поперечному сечению ленты и при полном заполнении ее может ссыпаться по бокам, что негативно повлияет на интенсивность загрузки доменных печей (потеря материала, загромождение движущихся частей конвейера).

Продольные колебания замкнутого тягового элемента с загруженной рабочей и ненагруженной холостой ветвью (рассматривается как стержень с распределенной массой) зависят от скорости распространения в нем упругой волны, а средняя частота колебаний основного тона:

упР~ (1.3)

где Ь - длина конвейера (расстояние между осями неприводных барабанов);

а = 2а'Ха1+аг)> <">

приведенная скорость (м/с) распространения упругой волны на рабочей а, = ^/ЕкРк/(яЛ+с-яга) и холостой а2 = ^JEkFk/qA ветвях тягового элемента. Для ре-

зинотросовых лент: Ек - условный модуль упругости ленты Е «1,6-105мПа;

к

с = 0,7...0,9 - коэффициент присоединения масс материала к ленте, Б - суммар-

к

ная площадь поперечного сечения всех тросов. Лента представляет собой систему с распределенными параметрами. При действии на ленту продольного силового импульса в ней возникают волны деформации, которые распространяются со скоростью с = — , гДе Е - модуль продольной упругости ленты; р - плотность ма-

V р

териала ленты и груза на ленте.

В момент включения привода движение удаленных участков ленты начинается только через некоторый промежуток времени, за который волна от барабана

пройдет до рассматриваемого сечения ленты (для длинных конвейеров это время составляет несколько секунд). Уравнение продольных колебаний ленты [1, 80]:

д1\] _,Э2и

сН дх

где и - смещение сечения, ленты или деформация под действием силового импульса в точке набегания ленты на барабан; х - абсцисса (направлена вдоль ленты). Возникновение продольных колебаний является также негативным фактором при пуске конвейера, которые могут привести: к возникновению критических упругих моментов в электромеханической системе, пробуксовке ленты между приводными барабанами, поломке направляющих роликов (роликоопор). Но следует отметить, что в конвейере с податливым натяжным устройством (с грузовым натяжным барабаном около привода) при приложении к ленте силового импульса от привода вдоль рабочей её ветви распространяется волна деформации, которая увеличивает натяжение ленты. Обойдя весь контур ленты, волна отразится от натяжного устройства и возвратится к приводному барабану. Волна деформации, уменьшающая натяжение в нерабочей ветви, гасится ходом натяжного барабана.

К немаловажным факторам надежной и бесперебойной работы конвейера следует отнести поддержание скорости движения ленты в определенных пределах (рис. 1.2). Инерционная разгрузка имеет место только при большой скорости движения грузонесущего элемента, в нашем случае для прямолинейного наклоненного участка под углом Р участка предельную скорость определяем из условия движения материала без отставания от ленты на пути разгона 1. Материал со скоростью и2, располагается на грузонесущем элементе, имеющий скорость и соответственно сила трения материала о грузонесущий элемент составит Р = пк](ГсозР-БтР). Очевидно, что частица материала, оторвётся от грузонесущего элемента в верхней точке и дальше, будет продолжать свободный полёт.

Используя параметры движения тела, брошенного под углом, определяется

Рисунок 1.2 - Схема траектории движения частиц материала

Рисунок 1.3 - Диаграмма натяжений на участках конвейера

(без учёта сопротивления воздуха) дальность полёта L = |u2/qjsin2(3, высота полёта h = |и2 /qjsin2 (3, продолжительность полёта t = (2t»/q)sin(3.

Наиболее важна дальность полёта, определяемая как:

u2+2ql(fcos(3-sin(3) г)2

L = -2-1 sin 2(3 = —sin 2(3 + 2еsin 2(3(f cos (3 - sin (3), (1.6)

g g

где ф угол внутреннего и внешнего трения при движении. Из этой формулы следует, что для отбрасывания материала на большое расстояние L собственная длина 1 грузонесущего элемента, на котором происходит разгон, должна быть велика, а поддержание скорости, соответственно, является немаловажной задачей, так как уменьшение или увеличение скорости, исходя из вышесказанного, приведет к снижению или увеличению инерционного отбрасывания материала, что может привести к потери материала [76, 79].

С целью проверки по перегрузке механизма, в результате проведенных исследований, были определены опасные натяжения на участках транспортера по исходным данным в таблице 3 П 1. Диаграмма натяжений (рис. 1.3) для всех участков определяет критические натяжения по расчетным данным, приведенным в таблице 6 П 1 и строится по полученной расчетной схеме на рисунке 1.4, где показаны характерные точки перехода прямых участков ленты в криволинейные, набегания и сбегания ленты с приводного, натяжного, головного барабанов, а также условно принимаемые за точки участки, соприкосновения ленты с отклоняющими барабанами.

Характерные точки трассы пронумеровывают, начиная с точки сбегания ленты с приводного барабана, натяжение в которой обозначается Si или Sc6, и до точки набегания ленты на приводной барабан, натяжение в которой обозначается S13 или SH6- После произведенных расчетов максимальное натяжение составит 68даН, которое не превышает допустимого натяжения на ленте.

Рисунок 1.4 - Расчетная схема трассы ленточного конвейера

Для определения подхода к решению задачи по разработке и исследованию способа снижения динамических нагрузок и повышения демпфируемости упругих колебаний для ленточного конвейера необходимо исследовать его электромеханическую систему (ЭМС), где в первую очередь следует учесть вышесказанные особенности в механической части транспортера [2].

При построении расчетных схем ЭМС допускается ряд общепринятых допущений, позволяющих упростить систему, не изменяя характера протекающих в ней основных динамических процессов, определяемых элементами с наибольшими массами и наименьшими жесткостями [7, 15, 24, 75]. Кинематическая схема приводной станции (рисунок 1.5) включает в себя два одинаковых привода, основными элементами которых являются: двигатели (8, 1), редуктор (4, 11), зубчатая муфта (см 2), упругая муфта (см 1), приводные барабаны (7, 14), связанные между собой резинотросовой лентой.

Рассчитанные приведенные значения элементов кинематической схемы для схемы всего става конвейера представлены в таблице 2 П 1. Расчетную схему ЭМС построена, исходя из кинематической схемы (рис. 1.5) и схемы става конвейера (рис. 1.6), при этом получаем пятимассовую систему с сосредоточенными параметрами (рис. 1.7) на основании [7, 23, 90]. Схема, представленная на рисунке 1.7, характеризуется следующими обозначениями:

12,14,15 - приведенные моменты инерции приводных барабанов и движущихся частей, связанных с движением ленты;

1р 13 - моменты инерции двигателей;

с ,с ,с ,с - жесткости упругих связей;

12 34 25 24

М,, М3 - моменты двигателей;

Мс2, Мс4, Мс1 ,Мс3 - статические моменты на приводных барабанах и статические моменты на валах двигателей;

Мс5 - суммарный момент сопротивления сил, воздействующих на линейно

М1

г®

см1

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Тарасов, Андрей Сергеевич

119 Выводы

1. Разработанная система управления электроприводом ленточного конвейера, способна обеспечить минимальные колебания по амплитуде значения упругого момента, при использовании режима адаптации.

2. Разработанный новый алгоритм в программном обеспечении Concept, способен реализовать эффективное корректирующее устройство подавления упругих колебаний в механической части электропривода конвейера, и стать неотъемлемой частью технологического процесса.

3. При использовании двигателя или группы двигателей с правильно подобранными параметрами увеличивается загрузка привода, исключая их недоиспользование и тем самым увеличивая экономическую эффективность, что подтверждается проведенным анализом энергетических характеристик асинхронного электропривода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых исследований был решен ряд актуальных задач > при разработке системы электропривода ленточного конвейера, обеспечивающие снижение негативных воздействий, обусловленных наличием упругого элемента, в механической части. 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, сосредоточенными в отдельных его точках. С помощью данной 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. Получена универсальная кривая предельного демпфирования двухмассо-вой ЭМС и определены фактические величины логарифмического декремента затухания для загруженного и порожнего конвейера, свидетельствующие о том, что система реостатного пуска двигателя не способствует повышению демпфирующей способности электроприводом и значения предельного демпфирования недостижимы.

3. Получено аналитическое выражение в виде передаточной функции рас-пределенно - упругого кольцевого механического элемента, которое позволяет учитывать внутреннее демпфирование, осуществить исследование влияния таких параметров как относительное взаимное положение масс, сосредоточенных относительно двигателя, скорость распространения упругой волны, с целью определения степени демпфирования колебаний.

4.Использование последовательного корректирующего устройства, для системы с сосредоточенными параметрами электромеханической системы, 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.

5. 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 оптимальные минимальные значения упругого момента, при использовании режима адаптации.

6. Разработан алгоритм оценки энергетических показателей частотно -управляемого асинхронного электропривода, который в настоящее время необходим для анализа свойств существующих и перспективных систем с точки зрения оценки мгновенных значений потерь мощностей и КПД. Предложенная система электропривода показала свою энергетическую эффективность при использовании асинхронных короткозамкнутых двигателей, что привело к увеличению КПД от 2% до 13%. Экономия при исключении добавочных сопротивлений из цепи ротора составит 837720 рублей в течение года.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тарасов, Андрей Сергеевич, 2013 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В. Г. Теория и расчет ленточных конвейеров. - М.: Металлургия -1987 - 394с.

2. Krause Р., Wasynzuk R., Sudhoff S. Analysis of electric machinery and drive systems. 2-е изд. Нью - Йорк: A. John Wiley&sons, 2002 - 613 pp.

3.Тарасов Ю.Д., Юнгмейстер Д. А. Промежуточные приводы ленточных конвейеров. М.:Недра- 1996 - 157с.

4. Рассудов Л.Н., Мядзель В.Н. Электроприводы с распределенными параметрами механических элементов. М.: "Энергоатомиздат" - 1987 - 144с.

5. Ключев В. И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.: Энергия - 1971 -321с.

6.Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: учеб. для вузов. М.: Высш. шк. - 2001 - 327 с.

7. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб.:Энергоиздат. СПб отд. - 1992 - 288 с.

8. Ключев В.И. Теория электропривода: учеб. пособ. для вузов. М.: Энергоатомиздат - 2001 - 704 с.

9.Теличко Л.Я., Тарасов A.C. Ограничение динамических нагрузок ленточных конвейеров для загрузочного устройства доменных печей // Материалы научно - технической конференции. ЛГТУ - 2004.- с. 30 - 32

10. Fischer R. Elektrische maschinen. Uberaub. U. Erw. Aufl. - München; Wien: Hanser, 1992.

11. Теличко Л.Я., Тарасов A.C. Математическое моделирование распреде-ленно - упругого элемента с двухдвигательным электроприводом // Вестник Воронежского государственного технического университета. - Воронеж, ВГТУ. -2009, том 5 №3 - с. 74-78.

12. Теличко Л.Я., Тарасов A.C. Лента конвейера как часть электромеханической системы электропривода // Сборник докладов научной конференции студентов и аспирантов ЛГТУ. - 2005. -с. 102-103

13. Электротехнический справочник. В 4 т. Т.4. Использование электрической энергии/ под общ.ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. - М.: Издательство МЭИ - 2004. - 696 с.

14. 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.

15.Егоров В. И. Динамика систем электропривода. - Л.: Энергоатомиздат -1983 -216 с.

16. Теличко Л.Я., Тарасов A.C. Исследование динамических режимов в асинхронном электроприводе конвейера // Энергетика и энергоэффективные технологии: Сб. трудов. - Липецк: ЛГТУ - 2007. - С. 276 - 281.

17. Герман - Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем MATLAB 6.0. - СПб.: КОРОНА - 2001 - 320 с.

18.Мирошник И. В. Теория автоматического управления. Линейные системы. СПб.: Питер - 2005 - 336 с.

19. Основы цифровой обработки сигналов: Курс лекций/А.И. Солонина, Д.А. Улахович, С.М. Арбузов, Е.Б. Соловьева, И.И. Гук. СПб.: БХВ -Петербург -2003 - 608 с.

20. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink . М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер - 2008 - 288 с.

21. Иванов Г.М.Автоматизированный многодвигательный электропривод постоянного тока. М.:Энергия - 1978.-160 с.

22. Управление электроприводами / A.B. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. Л.: Энергоиздат - 1982. - 392 с.

23.Чиликин М. Г., Сандлер А. С. Общий курс электропривода : учебник для вузов. М.: Энергоиздат - 1981- 576 с.

24. Проектирование электрических машин: учеб. для вузов /И. П. Копылов, Б. К. Клоков, В. П. Морозкин, Б.Ф. Токарев. М.: Высш. шк. - 2002 - 757с.

25.Евдокимов Ф. Е. Теоретические основы электротехники: учеб. для тех-

никумов. М.: Высш. шк. - 1975 - 496 с.

26. Schönfeld R. Digitale Regelung elektrischer Antriebe. Prof. Dr.- Ing. habil. Rolf Schönfeld. - Berlin : Technik - 1987 - 240 c.

27. Электротехнический справочник. В 4 т. T.l. Общие вопросы. Электротехнические материалы / под общ.ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. -М.: Издательство МЭИ - 1995 - 440 с.

28. Тарасов A.C. Применение аналога - цифрового преобразователя в частотно регулируемом асинхронном электроприводе // Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы. Материалы Международной научно-практической конференции. - г. Новочеркасск: ЮРГТУ - 2007 - С. 39-44

29. Электротехнический справочник. В 4 т. Т.З. Кн. 2 Использование электрической энергии / под общ.ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. - М.: Энергоиздат - 1982 - 560 с.

30.Сыромятников И. А. Режимы работы асинхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат - 1984- 240 с.

31.Джюджи Л., Пели Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты. М.: Энергоатомиздат - 1983 - 400 с.

32. Schröder D. Elektrische Antriebstechnik 2: Regelung von Antrieb - Berlin, Springer - 1995.

33. Электротехнический справочник. В 4 т. Т.. Электротехнические изделия и устройства / под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. - М.: Издательство МЭИ - 1998 - 518 с.

34.Тетельбаум И. М., Шлыков Ф. М. Электрическое моделирование динамики электропривода механизмов. М.: Энергия - 1970 - 192 с.

35. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник / И. X. Евзе-ров, А. С. Горобец, Б. И. Мошкович - М.: Энергоатомиздат - 1988-319с.

36.Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник . СПб.: Питер - 2002 -

528 с.

37.Сандлер А. С., Гусяцкий Ю. М. Тиристорные инверторы с широтно- им пульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями. М.: Энергия -

1968-96 с.

38. Тиристорные регуляторы напряжения для асинхронных двигателей: итоги науки и техн. ВИНИТИ. Сер. Электропривод и автоматизация промышленных установок /В. А. Чванов, В. И. Завьялов, 3. М. Родина. 1990 - №10- с. 1-86

39.Сабинин Ю.А., Грузов B.JÏ. Частотно - регулируемые асинхронные электроприводы. Л.: Энергоатомиздат - 1985 - 235 с.

40. Бургин Б. Ш. Управление скоростью движения при использовании двухмассовой электромеханической системы стабилизации момента в упругом звене // Электротехника.- 1998 - №12 - с. 13-17

41.Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. М.: Энергоиздат - 1982 - 234 с.

42. Войнова Т. В. Математическая модель для исследования трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором как объекта регулирования и для прямого микропроцессорного управления //Электротехника.- 1998-№6- с. 51-61

43. Бургин Б. Ш.. Особенности вариантов астатической двухмассовой электромеханической системы стабилизации скорости // Электротехника.- 1997-№7-с. 11-15

44. Булычёв А. В. Метод контроля состояния механической части асинхронного электродвигателя // Электротехника.- 1997-№10- с. 5-9

45. Никитин В. М. Управление моментом асинхронного двигателя в регулируемом электроприводе // Электротехника.- 1996-№12- с. 33-37

46.Рудаков A.B., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением . Л.: Энергоатомиздат - 1987 - 246 с.

47. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергоиздат - 1982- 214с.

48. Рыбкин С. Е. Синтез цифрового управления электроприводом с упругими механическими передачами / С. Е. Рыбкин, Д. Б. Изосимов, С. В. Байда// Электричество.- 2004-№11- с. 46-55

49. Шиянов А.И., Медведев В.А., Морозов C.B. Асинхронный электропри-

вод с упругой нагрузкой и адаптивным регулятором . // Электричество. - 2001 -№2. - с.47- 49.

50.Технические средства "Quantum Series Automation". Справочное руководство. Modicon. Inc.-1994 - 300с.

51. Тарасов A.C. Многодвигательный асинхронный электропривод ленточного конвейера с корректирующим устройством снижения упругих колебаний // Современные энергетические комплексы и управление ими: Материалы Международной научно-практической конференции. - г. Новочеркасск: ЮРГТУ - 2007. -с. 40-45.

52. Волянский Р. С., Садовой А. В. Оптимальное управление двухмассовым асинхронным электроприводом с люфтом// Электротехника.- 2004-№6- с. 11-14.

53. Виноградов А. Б., Чистосердов В. Л., Сибирцев А. Н. Адаптивная система векторного управления асинхронным электроприводом // Электротехника.-2003-№7- с. 7-17.

54. Высоковольтные тиристорные преобразователи частоты ОАО "Электросила" / Б. 3. Дробкин Р. А. Карзунов Е.А. Крутяков П. А. Павлов М. В. Пронин. // Электротехника.- 2003-№5- с. 30-33.

55. Гирасимяк Р. П., Таньков A.A. Статические и динамические режимы замкнутой системы асинхронного электропривода с преобразователем напряжения // Электротехника.- 2003-№3- с. 52-54.

56. Тарарыкин С. В., Красильникъянц Е. В. Физическое моделирование упругих механических систем средствами цифрового следящего электропривода // Электротехника.- 1999-№3-с. 11-14.

57. Теличко Л.Я., Тарасов A.C. Обобщенная электрическая модель асинхронного двигателя для моделирования процессов пуска и торможения средствами Matlab 6.5 Simulink //Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы VI Международной научно-практической конференции. - г. Новочеркасск: ЮРГТУ-2006. 4.2-с. 15-19.

58. Thümmel М. Schwingungsdämpfung bei elastischen Antrieb von Industrieroboten unter Verwendung eines abtrobsseitingen beschleunigungssensor.

Technische Universität München - 1999.

59. Поздеев Д. А., Хрещатая С. А. Снижение чувствительности к вариациям параметров двигателя в асинхронном электроприводе с поддержанием постоянства потокосцепления ротора // Электротехника.- 2000-№12- с. 47-53.

60. Браславский И. Я., Зюзев А. М., Костылёв А. В. Исследования свойств систем «Тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель» с различными типами синхронизации// Электротехника.- 2000-№9- с. 1-5.

61. Грузов В. JL, Красильников А. Н., Машкин А. В. Анализ и оптимизация алгоритмов управления в частотно- регулируемых электроприводах с инверторами напряжения // Электротехника.- 2000-№4- с. 15-20.

62.Сериков С.А. Оптимальная адаптивная система управления электроприводами подвесных конвейеров / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.- ВГТУ-2004-227 с.

63. Тарасов A.C. Векторное управление асинхронным двигателем для механизмов ленточных конвейеров // Микропроцессорные, аналоговые. Цифровые и электромеханические устройства и системы: Материалы Международной научно-практической конференции. - г. Новочеркасск: ЮРГТУ - 2006. - с. 48-54.

64. Грузов J1. В., Машкин А. В. Сравнительный анализ алгоритмов управления автономными инверторами напряжения в асинхронных электроприводах// Электротехника.- 2001 -№12- с. 34-39.

65. Бургин Б. Ш. Вариант трёхмассовой электромеханической системы стабилизации скорости с измерением лишь угловой скорости двигателя // Электротехника.- 2002-№3- с. 42-47.

66. Волков А. В. Идентификация потокосцепления ротора частотно- регулируемого асинхронного двигателя// Электротехника.- 2002-№6-с. 40-45.

67. Волков А. В. Потери мощности асинхронного двигателя в частотно-управляемых электроприводах с широтно-импульсной модуляцией // Электротехника." 2002-№8- с. 2-9.

68. Поздеев Д. А., Хрещатая С. А. Математическое исследование структуры бездатчикового частотно- токового асинхронного электропривода с векторным

управлением // Электротехника.- 2002-№9- с. 37-43.

69. Адрианов М. В., Родионов Р. В. Вопросы выбора электродвигателя в регулируемом электроприводе на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором // Электротехника.- 2002-№11- с. 2-5.

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

71. Хрисанов В. И., Бржезинский Р. А. Вопросы адекватности математических моделей асинхронных двигателей при анализе переходных процессов пуска // Электротехника.- 2003-№10- с. 20-25

72. Козярук А.Е. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов / общ. ред. А.Г. Народицкий. -СПб.-2001.- 126 с.

73.Аркуша А. И. Теоретическая механика и сопротивление материалов : учеб. для машиностр. спец. техникумов. М.: Высш. шк.- 1989 - 352 с.

74.Кудрявцев В.А., Демидович Б.П. Краткий курс высшей математики. М.: 1978-624 с.

75.Ключев В.И. Теория электропривода : учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат -1985 - 560 с .

76.Егоров, В.Ф. Электромеханические системы циклического нагружения. Ч.: Металлургия, 1991- 208 с.

77. Иванов, М.Н. Детали машин : учебник для вузов. М.: Высш. шк.,1976 -

254 с.

78. Системы подчинённого регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями / О.В. Слежановский, Л.Х. Дацковский, И.С. Кузнецов и др. - М.: Энергоатомиздат- 1983.-256 е., ил.

79.Ряховский O.A., Иванов С.С. Справочник по муфтам. Л.: Политехника -1991 -384 с.

80.Вайнсон A.A. Подъёмно-транспортные машины : учебник для вузов. М.: Машиностроение- 1989- 536 с.

81 .Микроконтроллер C167CR фирмы «Сименс АГ» - наиболее подходящая основа для любого преобразователя / Электротехника. - 1996. - № 12. -с.45-47.

82. Браславский И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. М.: Энергоиздат - 1988 - 224 с.

83.Машины и агрегаты металлургических заводов. Том 1 : справочник М.: Металлургия - 1987 - 440с.

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

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

86. Теличко Л.Я., Тарасов A.C. Электропривод с распределенными параметрами механических элементов // Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы VI Междунар. науч. - практ. конф. - 2006 - 4.2 - с. 61-65.

87. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н.Энергосберегающий асинхронный электропривод. М.: Академия- 2004. - 256 с.

88.Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода : учебник для вузов. СПб.: Энергоатомиздат - 2000 - 496 с

89.Дочвири Д.Н. Оптимизация динамики тиристорного электропривода с упругим звеном по критериям Калмана - Фробеньюса // Электротехника.- 2004-№5-с. 6-13

90.Мещеряков В.Н. Динамика электромеханических систем подъемно -транспортных механизмов с асинхронным электроприводом //Монография. -ЛГТУ-2002- 120 с.

91.Ключев В.И., Теличко Л.Я. Оптимизация электропривода с упругой связью по критерию минимума колебательности в переходных процессах// Электричество.- 1977-№1- с. 38-43

92.Лурье Б.Я., Энрайт П. Дж. Классические методы автоматического управления . СПб.:БХВ - Петербург - 2004 - 640 с.

93.Сухарев И.А. Управление конвейерными линиями на базе асинхронного электропривода в рамках АСУТП : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. В.: ВГТУ - 2003 - 178 с.

94.Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов : учебник для вузов. М.:Энергия- 1980- 360с.

95.Тарасов A.C. Оценка энергетической эффективности регулируемых асинхронных электроприводов средствами имитационного моделирования в Matlab 6.5 Simulink // Материалы Междунар. науч. - практ. конф., г. Новочеркасск, ЮРГТУ-2007-Ч.2 - с. 45-50

96.Тарасов A.C. Механическая часть электропривода с распределенными параметрами как объект управления // Информационные технологии моделирования и управления. -2007-№8(42)-с. 981-986.

97.Тарасов A.C. Анализ механической части электропривода средствами Matlab 6.5// Информационные технологии моделирования и управления. -2007-№9(43 )-с. 1120-1125

98. Теличко Л.Я., Тарасов A.C. Математическое моделирование ленточного конвейера с двухдвигательным электроприводом// Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2007 -том 3 №12 с. 82-86.

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

100. Теличко Л.Я., Тарасов A.C. Исследование динамических режимов в многодвигательном электроприводе конвейеров // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2007-№4(10) с. 60-64.