Анализ демпфирующих свойств электропривода подъемной установки с различными способами коррекции координат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ демпфирующих свойств электропривода подъемной установки с различными способами коррекции координат

шахтный электропривод канат колебание

Шахтные (рудничные) подъемные установки предназначены для выдачи полезного ископаемого (породы), подъема и спуска людей, оборудования и материалов. От надежной бесперебойной и производительной работы шахтного (рудничного) подъема зависит работа всей шахты (рудника) в целом, поэтому к подъемным установкам предъявляют особые требования в отношении надежности и безопасности работы [5]. Фактический срок службы подъемной установки, как правило, совпадает со сроком службы горного предприятия, однако для сохранения конкурентоспособности продукции, горнодобывающее предприятие обязано постоянно совершенствовать основные элементы подъемной установки с целью повышения производительности и эффективности работы по подъему добытых полезных ископаемых.

Одним из способов повышения эффективности работы является оптимальная настройка системы электропривода подъемной установки с целью уменьшения продольных колебаний в канатах. Замена канатов в подъемной установке является довольно трудоемкой операцией, а также довольно дорогостоящей операцией, при которой подъем полезного ископаемого невозможен, следовательно, простоем предприятия. Поэтому повышение технических ресурсов канатов подъемной установки с помощью настроек системы электропривода является весьма актуальной и требующей решения проблемой [3].

Анализ способов и средств ограничения динамических нагрузок в электроприводах с упругими элементами показывают, что способы ограничения могут быть разделены на два вида: посредством механических средств ограничения и посредством использования демпфирующих свойств электропривода [1].

Ограничение динамических нагрузок посредством использования демпфирующих свойств электропривода является наиболее перспективным. Усилиями научных коллективов под руководством Ключева В.И., Переслегина Н.Г., Соколовского Г.Г., Терехова В.М., Борцова Ю.А., Фащиленко В.Н. и др. были выполнены исследования, которые составили теоретическую основу нового раздела автоматизированного электропривода - теории электромеханических систем с упругими механическими связями.

При работе подъемной установки в упругих элементах (канатах) возникают различные виды колебаний, как продольных, так и поперечных, крутильных. Данные колебания в значительной степени влияют на износ канатов в подъемной установке. Соответственно необходимо создать ЭМС с возможностью демпфирования колебаний в упругих элементах посредствам регулирования (корректировки) различных сигналов в системе электропривода подъемной установки [2].

Для анализа различных структур управления предложен модифицированный метод нормированных передаточных функций [2]. Данный метод решает задачу получения необходимых соотношений между параметрами ЭМС, путем приведения всех величин к базисным которой приняты постоянная времени тиристорного преобразователя и электромагнитной постоянной времени . В соответствии с способом нормированных передаточных функций, степень нормированного полинома выбирается равной степени собственного оператора передаточных функций.

В качестве эталонной рассмотрена разомкнутая система управления электроприводом (рис. 1), при условии демпфирования колебательных процессов в упругих элементах посредствам регулирования (корректировки) различных сигналов в системе электропривода подъемной установки.

Рис. 1. Структурная схема разомкнутой трехмассовой ЭМС подъемной установки

Динамические свойства системы определяется собственным оператором передаточных функций:

(1)

где - электромагнитная постоянная времени; - относительный момент инерции трехмассовой ЭМС; - относительное значение момента инерции второй массы; - относительное значение момента инерции третьей массы; - электромеханическая постоянная времени системы; - постоянная времени характеризующая частоты собственных колебаний трехмассовой ЭМС; - относительное значение коэффициента жесткости между второй и третьей массой; моменты инерции первой, второй и третей масс; активное сопротивление якорной обмотки двигателя; внутренняя обратная связь двигателя по ЭДС.

Демпфирующие свойства разомкнутой трехмассовой ЭМС ограничены массами рабочих органов, так как требуется, чтобы выполнялось условие . Кроме того, должны соблюдаться определенные соотношения между относительными значениями коэффициента жесткости, момента инерции второй массы и момента инерции третьей массы. Вследствие этого возможность использования естественной демпфирующей способности электропривода подъемной установки с разомкнутой системой управления является ограниченной [2].

Замкнутая система трехмассовой ЭМС подъемной установки при параллельной коррекции координат [4], представлена на рис. 2. В представленной схеме присутствуют следующие обратные связи: жесткая и гибкая по скорости, жесткая и гибкая по току, жесткая и гибкая по упругому моменту.

Рис. 2. Структурная схема трехмассовой ЭМС подъемной установки при параллельной коррекции координат

Использование метода нормированных передаточных функций позволило составить математическое описание представленной ЭМС при параллельной коррекции координат:

;

;

;

; (3)

,

где: - относительный параметр постоянной времени быстродействия системы; - относительный параметр электромеханической постоянной времени системы; - относительный параметр постоянной времени частоты собственных колебаний якоря двигателя; - относительный параметр постоянной времени гибкой обратной связи по скорости системы; - относительный параметр постоянной времени гибкой обратной связи по току системы; - относительный параметр постоянной времени гибкой обратной связи по упругому моменту системы.

В результате исследования математических моделей получены следующие выводы:

наиболее эффективным способом демпфирования колебаний канатов подъемной установки достигается использованием обратных связей по моменту нагрузки в упругом элементе;

оптимальное количество обратных связей не должно превышать четырех, увеличение количества контуров регулирования, приводит к сложности настройки контуров отрицательных обратных связей.

Замкнутая система трехмассовой ЭМС подъемной установки при смешанной коррекции координат [4], представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема трехмассовой ЭМС подъемной установки при смешанной коррекции координат

Порядок собственного оператора передаточной функции является высоким, то использование ограниченного числа обратных связей накладывает более жесткие ограничения на возможности использования дополнительных жестких и гибких обратных связей [2]. Поэтому ограничиваемся следующим набором обратных связей жесткой и гибкой отрицательными обратными связями по упругому моменту, а также с жесткой отрицательной обратной связью по току. Данная схема представлена на рис. 4.

Рис. 4. Принятая к исследованию трехмассовая ЭМС подъемной установки при смешанной коррекции координат

Динамические свойства представленной системы определяется собственным оператором передаточных функций:

(4)

Используя модифицированный метод нормированных передаточных функций с нормированным характеристическим полиномом шестого порядка, получаем систему алгебраических уравнений для случая полного демпфирования (о=0,707):

;

;

; (5)

;

;

,

где: - относительный параметр гибкой обратной связи по моменту нагрузки в упругих элементах; - относительный параметр постоянной времени регулятора нагрузки; - относительная величина, характеризующая частоты собственных колебаний якоря двигателя; - относительная постоянная времени, характеризующая быстродействие системы; г - относительный момент инерции трехмассовой ЭМС; k₂ - относительное значение момента инерции второй массы; k₃ - относительное значение момента инерции третьей массы; n - относительное значение коэффициента жесткости между второй и третьей массой; - параметр жесткой обратной связи по току; - параметр жесткой обратной связи по упругому моменту.

В результате решения системы уравнений (3) относительно жесткой отрицательной обратной связи по упругому моменту, получаем условия демпфирования колебаний:

; ; .

Как видно из полученных значений, полное демпфирование возможно при отрицательных значениях жесткой обратной связи по моменту нагрузки в упругих элементах, т.е. такая обратная связь должна быть положительной. Так как положительная обратная связь снижает запас устойчивости системы, то в данном случае жесткая обратная связь не может быть рекомендована для обеспечения демпфирования колебаний канатов в трехмассовой ЭМС подъемной установки с последовательной коррекцией координат.

В результате решения системы уравнений (3) относительно гибкой отрицательной обратной связи по упругому моменту, получаем условия демпфирования колебаний:

; ; .

Величина коэффициента передачи гибкой обратной связи по упругому моменту определяется при известных значениях коэффициента обратной связи по току и относительном значении момента инерции системы . Постоянная времени регулятора нагрузки требует корректировки по сравнению со стандартной настройкой. Раскрывая значения и получаем , где - некомпенсируемая малая постоянная времени электромеханической системы. Полное демпфирование колебаний обеспечивается со снижением быстродействия системы на 14% по сравнению со стандартной настройкой. Кроме того, необходимо чтобы частота собственных колебаний ротора двигателя соответствовала следующему неравенству:

.

В результате исследования процессов коррекции координат электропривода подъемной установки, можно сделать вывод: в настоящее время наиболее эффективной системой коррекции координат из условия максимального демпфирования колебаний в упругих элементов подъемной установки является система смешанной коррекцией координат с жесткими отрицательными обратными связями по току и упругому моменту и гибкой отрицательной обратной связью по упругому моменту.

Литература

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

2. Ляхомский А.В., Фащиленко В.Н. Управление электромеханическими системами горных машин. М.: Издательство МГГУ, 2004 - 296 с.

3. Решетняк С.Н. К вопросу о применении частотно-регулируемого привода шахтных подъемных установок ГИАБ №5 2005 г. М.: Издательство МГГУ - с. 230-233.

4. Решетняк С.Н. Математическое описание трехмассовой ЭМС подъемной установки ГИАБ №7 2007 г. М.: Издательство МГГУ - с. 287-292.

5. Решетняк С.Н. Фащиленко В.Н. Федоров О.В. Особенности применения преобразовательной техники на горнодобывающих предприятиях России ГИАБ №6 2008 г. М.: Издательство МГГУ - с. 331-335.

Размещено на Allbest.ru