Разработка структур систем управления электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов-мехлопат тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Валиев, Рустам Мансурович

• Валиев, Рустам Мансурович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Валиев, Рустам Мансурович

Введение.

Глава 1. Техническая направленность, современное состояние и развитие экскаваторного электропривода.

1.1 Современное состояние и тенденции развития электроприводов главных механизмов одноковшовых экскаваторов.

1.2 Анализ методов и средств управления нагрузками электроприводов с упругими механическими связями.

1.3 Структуры управления электромеханическими системами одноковшовых экскаваторов-мехлопат и виды используемых обратных связей.

1.4 Реализация структур управления ЭМС одноковшовых экскаваторовмехлопат. Постановка задач исследования.

Глава 2. Анализ систем управления, обеспечивающих демпфирующие свойства экскаваторных электроприводов.

2.1 Математические модели систем электроприводов главных механизмов одноковшовых экскаваторов - мехлопат.

2.2 Анализ демпфирующих свойств механической части и разомкнутых систем управления электромеханических систем одноковшовых экскаваторов - мехлопат.

2.3 Анализ демпфирующих свойств электроприводов одноковшовых экскаваторов - мехлопат со стандартной настройкой на "технический оптимум" и дополнительной ГООСН.

2.4 Анализ демпфирующих свойств электроприводов одноковшовых экскаваторов - мехлопат с измененной структурой регуляторов тока и дополнительной ГООСН.

2.5 Выводы.

Глава 3. Синтез структур систем управления электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов-мехлопат.

3.1 Общие положения синтеза структур систем управления ЭМС одноковшовых экскаваторов - мехлопат.

3.2 Синтез системы управления электроприводом систем УВ-Д и Г-Д с ТВ с соответственно ПИ и ПИД-регуляторами тока и применением дополнительной ГООСН.

3.3 Синтез системы управления электроприводом систем УВ-Д и Г-Д с ТВ с соответственно И и ПИ-регуляторами тока и применением дополнительной ГООСН.

3.4 Методика синтеза и выбор параметров системы управления электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов-мехлопат.

3.5 Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования электромеханических систем одноковшовых экскаваторов-мехлопат.

4.1 Общие положения об экспериментальных исследованиях электропривода одноковшовых экскаваторов-мехлопат.

4.2 Измерение сигнала пропорционального моменту нагрузки в упругом элементе и ввод дополнительной обратной связи по производной от этого сигнала.

4.3 Построение системы управления с дополнительной гибкой обратной связью.

4.4 Моделирование электромеханических систем главных механизмов одноковшовых экскаваторов - мехлопат на ЭВМ и экспериментальное получение переходных процессов.

4.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка структур систем управления электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов-мехлопат»

Актуальность проблемы. Современные карьеры и разрезы - это мощные горнодобывающие предприятия, содержащие огромный парк добычных и транспортных машин, работающих в тяжелых климатических и производственных условиях. Одним из основных видов машин на таких предприятиях являются карьерные экскаваторы-мехлопаты. Этот вид машин определяет производительность горного предприятия, а, следовательно, и эффективность горного производства в целом. Для сохранения конкурентоспособности на мировом рынке горнодобывающие предприятия постоянно совершенствуют этот парк машин с целью повышения производительности и эффективности работы по добыче полезных ископаемых.

Одним из способов повышения производительности экскаваторов-мехлопат является переход от системы генератор-двигатель (Г-Д) с силовым магнитным усилителем (СМУ) к системе с тиристорным возбудителем (ТВ).

Переход к быстродействующей системе Г-Д с ТВ обеспечил повышение производительности карьерных экскаваторов. Вместе с тем возникли проблемы, связанные с увеличением быстродействия электроприводов, на их работу стала существенно влиять упругость передач. Наличие канатов в механизмах подъема и напора экскаваторов-мехлопат привело к тому, что динамические нагрузки, возникающие в процессе копания, могут превышать расчетные или допустимые в 3-3,5 раза. Кроме того, экскаватор относительно часто работает в режиме стопорения рабочего органа, когда нагрузка на привод подъема резко возрастает до значительных величин. В этом случае, как показывают исследования, динамические нагрузки могут возрастать до 5-6 кратных от расчетных.

Динамические нагрузки, возникающие в процессе работы экскаватора-мехлопаты, имеют большие амплитудные значения и носят резко выраженный колебательный характер. Все вместе это приводит к увеличению нагрузки в рабочем оборудовании экскаватора. Это приводит к накоплению усталостных напряжений в материалах передач, их быстрому разрушению и, как следствие, быстрому выходу из строя. Следствием этого являются многочисленные простои экскаваторов-мехлопат, 70-80% которых приходится на простои от поломки механического оборудования. Многочисленные исследования показывают, что на механическую часть карьерных экскаваторов приходится 60-65% от всех отказов. Такие длительные простои экскаваторов резко снижают эффективность горного производства.

Поэтому разработка структур систем управления электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов-мехлопат рациональных по критерию минимума колебательных динамических нагрузок в рабочем оборудовании, является актуальной научной задачей.

Целью работы является исследование динамических процессов в электроприводах главных механизмов одноковшовых экскаваторов-мехлопат на основе математических моделей и установление аналитических зависимостей протекания этих процессов для разработки структур систем управления, направленных на повышение технического ресурса копающих механизмов.

Идея работы состоит в совершенствовании динамических свойств электромеханических систем одноковшовых экскаваторов за счет структурно-параметрической оптимизации по критерию максимального ограничения динамических нагрузок.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели экскаваторных электроприводов с различными структурами управления, учитывающие колебательные процессы в электромеханической системе.

2. Аналитические зависимости параметров электромеханических систем от показателей колебательности для структур систем управления со стандартной настройкой и дополнительной гибкой обратной связью по моменту нагрузки в упругом элементе.

3. Метод синтеза систем управления электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов, учитывающий области допустимых параметров электромеханической системы.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждается корректным применением математических методов ТАУ, теории электропривода, методов имитационного моделирования, сравнением результатов аналитических исследований и имитационного моделирования с данными промышленных экспериментов, а также достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение в пределах 10-15%).

Научная новизна полученных результатов исследования состоит:

- в разработке математических моделей систем управления электроприводами при управляющем и возмущающем (стопорном) режимах работы для анализа динамических процессов в электроприводах одноковшовых экскаваторов;

- в установлении закономерностей динамических процессов в электромеханических системах одноковшовых экскаваторов, используемых для разработки структур систем управления электроприводами, обеспечивающих ограничение динамических нагрузок.

Практическое значение работы заключается в разработке:

1. Рекомендаций по выбору рациональной структуры системы управления электроприводами главных механизмов одноковшовых экскава-торов-мехлопат по критерию максимального ограничения динамических нагрузок.

2. Методики синтеза замкнутых систем управления электромеханическими системами одноковшовых экскаваторов-мехлопат.

Реализация результатов работы.

Рекомендации по выбору рациональной структуры системы управления электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов-мехлопат по критерию максимального ограничения динамических нагрузок; методика синтеза замкнутых систем управления электромеханическими системами одноковшовых экскаваторов-мехлопат приняты к внедрению в ОАО "Лебединский ГОК" (г. Губкин, Белгородская обл.).

1. ТЕХНИЧЕСКАЯ НАПРАВЛЕННОСТЬ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭКСКАВАТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Валиев, Рустам Мансурович

Основные результаты выполненного исследования, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Получены аналитические зависимости, позволяющие оценить влияние параметров ЭМС механизмов подъема и напора на демпфирующие свойства электропривода.

2. Установлены области демпфирования колебаний в электромеханических системах одноковшовых экскаваторов-мехлопат при различных структурах подчиненного регулирования координат. Определены параметры экскаваторов-мехлопат при изменяющихся параметрах механической части в процессе работы.

3. Предложена рациональная структура системы электропривода и определены параметры систем управления электроприводами, при которых обеспечивается необходимое демпфирование динамических нагрузок как в рабочем режиме экскаватора, так и в режиме стопорения рабочего органа.

4. Разработана методика синтеза структур с подчиненным регулированием координат и установлены параметры системы управления с учетом особенностей функционирования экскаваторных электроприводов.

5. Разработана рациональная система управления электроприводами подъемно-напорного механизма с использованием дополнительной ГООСН и переключением параметров для регулирования нагрузки в упругом элементе, которая позволяет обеспечить необходимое ограничение динамических нагрузок в режимах копания и стопорения ковша.

6. Рекомендации по выбору рациональной структуры системы управления электроприводами главных механизмов одноковшовых экскавато-ров-мехлопат по критерию максимального ограничения динамических нагрузок; методика синтеза замкнутых систем управления электромеханическими системами одноковшовых экскаваторов-мехлопат приняты к внедрению в ОАО "Лебединский ГОК" (г. Губкин, Белгородская обл.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи - разработки структур систем управления электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов-мехлопат рациональных по критерию минимума колебательных динамических нагрузок в рабочем оборудовании.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Валиев, Рустам Мансурович, 2007 год

1. Абрамов Б.И., Парфенов Б.М., Шевырев Ю.В. Методы выбора параметров фильтро-компенсирующих устройств ступенчатого типа для тиристорных электроприводов в системах соизмеримой мощности. -Электротехника. 2001. - №1 - С.38-43.

2. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Наука, 1968. - 560 с.

3. Бабокин Г.И. Система управления электроприводом с упругим звеном переменной жесткости. Горное оборудование и электромеханика. -2007.-№1-С. 47-48.

4. Бариев Н.В. Электрооборудование одноковшовых экскаваторов. -М.: Энергия, 1980.-296 с.

5. Башарин A.B., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. JI.: Энергоиздат, 1982. - 392 с.

6. Безносенко Н.М. Синтез и реализация алгоритмов управления электроприводами позиционирования технических средств освоения шельфа: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.09.03 / С.- Петербургский гос. горный ин-т. СПб., 2006. - 20 с.

7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. СПб.: Профессия, 2004. - 752 с.

8. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб.: Энергоатомиздат, 1992. - 288 с.

9. Ю.Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Тиристорные системы электропривода с упругими связями. JL: Энергия, 1979. - 160 с.

10. Борцов Ю.А., Суворов Г.В. Методы исследования динамики сложных систем электропривода. М - JI.: Энергия, 1966 - 160 с.

11. Бурыгин Б.Ш., Фоттлер Ф.К. Синтез структуры управления электроприводом постоянного тока с учетом упругого звена в механической передаче. Изв. вузов. Электромеханика. - 1979. - №5 - С. 19-24.

12. З.Волков Д.П., Каминская Д.А. Динамика электромеханических систем экскаваторов. М.: Машиностроение, 1971. - 384 с.

13. Вологин H.A. Совершенствование систем управления электроприводами постоянного тока главных механизмов карьерных экскаваторов: Ав-тореф. дис. . канд. техн. наук: 05.09.03 / С.- Петербургский гос. горный ин-т. СПб., 2003. - 22 с

14. Вуль Ю.Я., Ключев В.И., Седаков J1.B. Наладка электроприводов экскаваторов. -М.: Недра, 1975.-312 с.

15. Глазунов Л.П. Рациональные системы управления электроприводами копающих механизмов одноковшовых экскаваторов: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.09.03 / ВНИИэлектропривод. М., 1985. - 18 с.

16. Годжиев A.A. Исследование и разработка систем и средств управления электроприводами подъемно-напорного механизма экскаваторов: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.09.03 / Моск. энергет. ин-т. М., 1995.-20 с.

17. Гостев В.И. Системы управления с цифровыми регуляторами: Справочник. К.: Тэхника, 1990. - 280 с.

18. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов. М.: Высшая школа, 2005. - 790 с.

19. Докукин A.B., Красников Ю.Д., Хургин З.Я. Аналитические основы динамики выемочных машин. -М.: Наука, 1966. 161 с.

20. Егоров В.Н., Шестаков В.М. Динамика систем электропривода. -JL: Энергоатомиздат, 1983.-216 с.

21. Елисеев В.А., Шинянский A.B. Справочник по автоматизированному электроприводу. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 616 с.

22. Ерофеев A.A. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов. -СПб.: Политехника, 2005. 302 с.

23. Ефимов В.Н., Цветков В.Н., Садовников Е.М. Карьерные экскаваторы: Справочник рабочего. М.: Недра, 1994. - 281 с.

24. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984. - 541 с.

25. Исаев И.Н., Созонов В.Г. Анализ демпфирующих свойств возможных вариантов электропривода заданной производительности. Электричество. -1981.-№7-С. 69-71.

26. Казаков В.А., Крагель A.A., Бессонов И.В., Карякин A.JI. Информационно-диагностическая система карьерного экскаватора ЭКГ-1500Р. -Горное оборудование и электромеханика. 2006. - №11 - С. 36-38.

27. Казаков В.А., Шварц Л.И., Судаков В.В. Экскаватор ЭКГ-1500К (ЭКГ-30). Горное оборудование и электромеханика. - 2006. - №11 - С. 3235.

28. Карлов Н.В., Кириченко H.A. Колебания, волны, структуры.

29. М.: Физматлит, 2003. 496 с.

30. Касаткин A.C., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. для вузов. М.: Академия, 2005. - 544 с.

31. Кирбабин E.H. Исследование и разработка систем управления электроприводом механизма поворота мощных одноковшовых карьерных экскаваторов: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.09.03 / Моск. горн, ин-т.-М., 1984.-14 с.

32. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. -М.: Энергия, 1971-320 с.

33. Ключев В.И. Серия модульных тиристорных преобразователей ПТЭМ-2Р экскаваторного исполнения // АЭП-2001 / Труды 3 Международной (14 Всероссийской) научно-технической конференции. Н.Новгород, 2001.-С. 152-153.

34. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. М.: Энерго-атомиздат, 2001. - 704 с.

35. Ключев В.И., Жильцов JI.B., Калашников Ю.Т. Состояние и перспективы развития теории электропривода с упругими механическими связями. Электричество. - 1981. - №7 - С. 28-32.

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

37. Копылов И.П. Справочник по электрическим машинам. М.: Энерго-атомиздат, 1988.-456 с.

38. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. М.: Высшая школа, 2004. - 607 с.

39. Кочетков М.В. Ограничение динамических нагрузок копающих механизмов карьерного экскаватора: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.09.03 / Красноярский гос. техн. ун-т. Красноярск, 1997. - 24 с.

40. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. -М.: Машиностроение, 1976. 184 с.

41. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления. М.: Машиностроение, 1986.-448 с.

42. Лейтман Н.Б. Автоматическое измерение выходных параметров электродвигателей: (методы и аппаратура). М.: Энергоатомиздат, 1983. -152 с.

43. Ломакин М.С. Автоматическое управление технологическими процессами карьеров. М.: Недра, 1978. - 280 с.

44. Ляхомский A.B., Фащиленко В.Н. Управление электромеханическими системами горных машин. М.: Изд-во МГГУ, 2004. - 296 с.

45. Малиновский А.К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников: Учеб. для вузов. М.: Недра, 1987. - 277 с.

46. Мартынов М.В., Переслегин Н.Г. Автоматизированный электропривод в горной промышленности. М.: Недра, 1977. - 375 с.

47. Марченков А.П. Проектирование микропроцессорных регуляторов: учебное пособие. М.: Издательство МЭИ, 2006. - 96 с.

48. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления // Под ред. Егупова Н.Д. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 744 с.

49. Микитченко А .Я. Разработка и исследование частотно-управляемого асинхронного электропривода по системе НПЧ-АД для машин предприятий горнодобывающей промышленности: Автореф. дис. . докт. техн. наук: 05.09.03 / Моск. энергет. ин-т. М., 1999. - 40 с.

50. Москаленко В.В. Электрический привод. -М.: Академия, 2004. -368 с.

51. Парфенов Б.М., Шевырев Ю.В. Повышение энергетических показателей экскаваторов с тиристорным электроприводом постоянного тока. -Горное оборудование и электромеханика. 2005. - №5 - С. 13-17.

52. Перелыгин В.В. Экскаваторный парк угольных разрезов России. // Отраслевой медиа проект по экскаваторной технике ЭКСКАВАТОР.РУ. -Ьир://ехкауа1ог.ш/а111с1е5/1пГаг11с1езМё=2229.

53. Петров В.Л., Фащиленко В.Н. Регулируемый электропривод постоянного тока: учебное пособие. М.: МГГУ, 2001. - 62 с.

54. Подборский П.Э. Совершенствование методов синтеза систем управления электроприводами поворотных механизмов карьерных экскаваторов: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.09.03 / Хакасский техн. ин-т. Новокузнецк, 2006. - 18 с.

55. Пятибратов Г.Я. Развитие теории и практика управления усилиями в электромеханических системах с упругими связями: Автореф. дис. . докт. техн. наук: 05.09.03 / Ю.-Российский гос. техн. ун-т. Краснодар, 2000.-38 с.

56. Регулируемый электропривод. Опыт и перспективы применения // Доклады научно-практического семинара. М.: Издательство МЭИ, 2006.-96 с.

57. Розанов Ю.К., Соколова Е.М. Электронные устройства электромеханических систем. М.: Академия, 2004. - 272 с.

58. Рудаков В.В. Динамика электроприводов с обратными связями: учебное пособие. JL: ЛГИ, 1980. - 115 с.

59. Рудаков В.В., Мартикайнен Р.П. Синтез электроприводов с последовательной коррекцией. Л.: Энергия, 1972. - 120 с.

60. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 136 с.

61. Созаев A.M. Разработка и исследование оптимальных по быстродействию систем управления тиристорными электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.09.03 / Моск. горн. ин-т. М., 1983. - 13 с.

62. Соловьев A.C. Динамика электромеханических систем электроприводов карьерных экскаваторов: Текст лекций. Л.: ЛГИ, 1989. - 31 с.

63. Солод C.B., Гольдбухт Е.Е., Френкель В.Ш., Бубновский Б.И. Техническое обслуживание и устранение неисправностей оборудования одноковшовых экскаваторов: Справочник: В 2 кн. М.: Недра, 1996. - Кн. 1 : Механическое оборудование. - 239 с.

64. Солодовников В.В., Коньков В.Г., Суханов В.А., Шевяков О.В. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1991.-255 с.

65. Столяров И.М., Амбарцумян H.A., Емельянов А.П. Выявительные устройства САУ электроприводов горных машин и установок. Л.: ЛГИ, 1984.-48 с.

66. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов: Учеб. для вузов. М.: Академия, 2005. - 304 с.

67. Токарев Б.Ф. Электрические машины: учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 624 с.

68. Труды Первой Всесоюзной конференции по расчетам на прочность металлургических машин. Сборник статей №23. М.: ВНИИметмаш, 1968.

69. Фащиленко В.Н. Электромеханические системы. Часть 2. Учебное пособие. М.: МГГУ, 2001. - 65 с.

70. Фащиленко В.Н., Рузиев М.П. Управление трехмассовыми электромеханическими системами горных машин: Отдельные статьи горного информационно-аналитического бюллетеня. 2004. - №1 - 21 с.

71. Фащиленко В.Н. Структурный анализ и синтез рационального управления электромеханическими системами горных машин: Дис. . докт. техн. наук: 05.09.03 / Моск. гос. горный ун-т. М., 2004. - 512 с.

72. Фащиленко В.Н. Разработка структур системы управления регулируемого электропривода шахтных ленточных конвейеров: Дис. . канд. техн. наук: 05.09.03 / Моск. горн. ин-т. М., 1986. - 184 с.

73. Хошмухамедов И.М., Пичуев A.B. Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГГУ, 2005. -336 с.

74. Чулков H.H. Расчет приводов карьерных машин. М.: Недра, 1987. -196 с.

75. Электропривод и сетевые технологии // Доклады научно-практического семинара. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 144 с.

76. Электропривод постоянного тока. Состояние и тенденции // Доклады научно-практического семинара. М.: Издательство МЭИ, 2002. - 72 с.

77. Электропривод экскаваторов // Доклады научно-практического семинара. М.: Издательство МЭИ, 2004. - 112 с.