Управление динамическим состоянием асинхронных электроприводов горных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

УПРАВЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ГОРНЫХ МАШИН

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

Завьялов Валерий Михайлович

Кемерово - 2009

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Горные машины (ГМ) занимают центральное место в технологической цепи добычи полезных ископаемых. Очевидно, что надежность их работы напрямую влияет на эффективность ведения горных работ.

Практика эксплуатации показывает, что отечественные ГМ существенно уступают зарубежным аналогам, как по производительности, так и по надежности, поэтому модернизация имеющихся и разработка новых отечественных ГМ с более высокими показателями надежности и производительности является важной и актуальной проблемой.

Особенностью работы электроприводов горных машин является стохастически изменяющийся в большом диапазоне характер их нагружения и возможные стопорения исполнительного органа. Наличие упругой податливости в элементах трансмиссии ГМ совместно с изменяющейся нагрузкой способствует постоянному присутствию переходных процессов в механических передачах. Следствием этого и одной из основных причин поломок элементов трансмиссий ГМ является накопление в них усталостных повреждений. Особую роль при этом играют пиковые нагрузки, существенно ускоряющие накопление усталостных повреждений деталей.

Статистические исследования показывают, что существенная доля отказов ГМ связана с выходом из строя элементов трансмиссии их главных приводов. Так, на элементы трансмиссии угледобывающих комбайнов приходится около 25% всех отказов, а длительность простоев карьерных экскаваторов, вызванных ликвидацией поломок элементов трансмиссии, составляют около 50 - 65% от общего времени аварийных простоев.

Решение проблемы повышения эксплуатационной надежности механических подсистем электроприводов горных машин в настоящее время имеет два основных направления, одно из которых заключается в совершенствовании механических преобразователей, а второе - в использовании управляемого электропривода, осуществляющего управление упругими напряжениями в элементах трансмиссии без снижения момента на рабочем органе горной машины.

При этом второе направление имеет такие достоинства, как возможность применения управляемого электропривода в составе ранее разработанных и находящихся в эксплуатации горных машин без существенных изменений их конструкции, а также позволяет увеличить эксплуатационную надежность ГМ в тех случаях, когда конструктивные меры полностью исчерпаны.

Управляемый электропривод при обеспечении заданной производительности ГМ должен поддерживать механическую нагрузку на элементы трансмиссии в допустимом диапазоне, для уменьшения интенсивности накопления усталостных повреждений и исключения аварийных ситуаций.

С точки зрения анализа существующих систем регулируемых электроприводов ГМ можно выделить две их основные разновидности. Первый тип применяется на таких машинах, например, как очистные комбайны. В них, при неуправляемом приводе резания горной породы, регулируется скорость подачи исполнительного органа, в зависимости от крепости породы с использованием обратной связи по току двигателя привода резания. При этом стабилизируется средняя нагрузка на привод резания, за счет чего исключаются его статические перегрузки.

Ко второму типу относятся системы, которые обеспечивают требуемое качество регулирования координат электропривода, например, промышленная система подчиненного регулирования координат, используемая на карьерных экскаваторах. Применение таких систем управления позволяет добиться требуемого качества переходных процессов для скорости движения исполнительного органа, но при этом, как и в первом случае, отсутствует управление динамическим состоянием элементов механических передач электроприводов.

Исследованием динамических процессов в приводах горных машин и вопросами, связанными с управлением этими процессами, занимались такие ученые, как Г.И. Бабокин, В.Г. Базилевский, Б.В. Боровой, В.А. Бреннер, Р.М. Валиев, Д.П. Волков, Ю.Я. Вуль, П.Д. Гаврилов, А.В. Докукин, Е.К. Ещин, В.Д. Земляков, С.Л. Иванов, Д.А. Каминская, В.Г. Каширских, В.И. Ключев, Ю.Д. Красников, В.Ф. Кузнецов, А.И. Кухтенко, М.С. Ломакин, А.В. Ляхомский, Г.Я. Пятибратов, С.В. Солод, Б.Я. Стариков, В.Н. Фащиленко, З.Я. Хургин и многие другие. Большинство работ в этой области направлено на решение задачи снижения динамических нагрузок в конкретных типах горных машин и для определенных режимов их работы.

Представленные в диссертационной работе исследования направлены на дальнейшее развитие концепции построения электроприводов горных машин, позволяющих управлять динамическим состоянием их механических подсистем, с использованием наиболее перспективного управляемого асинхронного электропривода на базе двигателя с короткозамкнутым ротором.

Снижение динамической нагруженности элементов механических преобразователей электроприводов горных машин в процессе их работы является важной научной проблемой и ее актуальность определяется не только потребностями практики, но и необходимостью использования полученных результатов для дальнейших научных исследований.

Актуальность работы подтверждается тем, что она выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2000-2006 годы» (проект У0043) и по гранту Губернатора Кемеровской области для поддержки молодых ученых-кандидатов наук (2006 г.).

Цель работы - разработка научных основ, методов и средств, направленных на совершенствование электромеханических систем горных машин для решения проблемы управления динамическим состоянием их электроприводов, повышения уровня их эксплуатации и применения в проектной практике.

Идея работы заключается в использовании управляемого асинхронного электродвигателя в качестве безынерционного источника электромагнитного момента, осуществляющего формирование силового управляющего воздействия на механическое передаточное устройство электропривода горной машины для управления его динамическим состоянием.

Задачи исследований.

1. Разработать концепцию построения электроприводов горных машин, позволяющих управлять динамическим состоянием механических преобразователей.

2. Исследовать возможность придания асинхронному электродвигателю свойств управляемого безынерционного источника электромагнитного момента, применительно к использованию его в электроприводах горных машин.

3. Разработать алгоритмы управления электромагнитным моментом, придающие асинхронному электродвигателю свойства безынерционного источника момента, для различных вариантов структуры электрической подсистемы электропривода.

4. Разработать алгоритмы, позволяющие управлять упругими моментами и силами в механических передачах и металлоконструкциях горных машин.

5. Сформулировать требования к конструкции и разработать математическую модель электромеханического преобразователя энергии, позволяющего одновременно управлять упругими моментами и силами в трансмиссии и в элементах металлоконструкций горных машин.

6. Разработать наблюдающее устройство для динамической идентификации ряда электрических, электромагнитных и механических параметров и неизмеряемых переменных величин электропривода, необходимых для функционирования его системы управления.

7. Проанализировать эффективность использования разработанных методов, технических решений и алгоритмов управления на примере конкретных горных машин.

Методы исследований. В процессе выполнения работы использовались: теория обобщенной электрической машины; метод скоростного градиента; методы синергетической теории управления; теория нечеткой логики; методы аналитического и численного решения систем дифференциальных уравнений; математические методы оценивания: рекуррентный метод наименьших квадратов, расширенный фильтр Калмана; методы анализа случайных процессов; методы фильтрации с использованием цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой; компьютерное моделирование динамических процессов в разработанной системе управляемого электропривода и при реализации разработанных методов идентификации; лабораторные и промышленные испытания разработанных устройств.

Реализация алгоритмов управления и динамической идентификации параметров и неизмеряемых переменных величин электроприводов производилась в среде Delphi и с использованием языков программирования С/С++.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Асинхронный электродвигатель, питаемый от автономного инвертора напряжения и управляемый на основе разработанных алгоритмов управления, является безынерционным источником электромагнитного момента для механических подсистем горных машин.

2. Алгоритмы управления механическими координатами электроприводов обеспечивают управление динамическим состоянием горных машин, независимо от причин возникновения динамических составляющих нагрузок в их механических передаточных устройствах.

3. Одновременное снижение динамических нагрузок, как в элементах трансмиссии, так и в металлоконструкциях горных машин, обеспечивается при использовании управляемой электромеханической системы, отличающейся тем, что она состоит из двух асинхронных двигателей, статор одного из которых жестко связан с ротором второго.

4. Проводить динамическую идентификацию асинхронного электродвигателя и механической подсистемы горной машины возможно на основе полученных математических моделей состояния и цепи измерения электроприводов и информации, содержащейся в токах и напряжениях, а также в угловой скорости вращения вала двигателя, в процессе рабочего функционирования электропривода.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением математических методов и моделей, адекватность которых реальным процессам подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований; удовлетворительной сходимостью результатов, полученных теоретически и экспериментально при проведении лабораторных и промышленных испытаний; применением современного оборудования; согласованностью результатов компьютерного моделирования исследуемых процессов с экспериментальными данными; результатами статистического анализа шумов измерительной системы для проверки соответствия их параметров требованиям фильтра Калмана при его использовании для целей идентификации.

Положительные результаты, полученные при проведении лабораторных и промышленных испытаний, подтверждают правильность предложенных методов, технических решений, научных положений и выводов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны новые способы управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя на основе метода скоростного градиента, придающие ему свойства безынерционного источника момента при различных вариантах структуры электрической подсистемы.

2. Выявлено, что асинхронный двигатель, питаемый от автономного инвертора напряжения с регуляторами электромагнитного момента, построенными на базе полеориентированного управления, прямого управления моментом и градиентного управления, является безынерционным источником момента по отношению к механическим подсистемам электроприводов горных машин, что позволяет упростить процедуру синтеза алгоритмов управления механическими координатами.

3. Получены алгоритмы управления для регуляторов упругих моментов, отличающиеся тем, что позволяют поддерживать упругий момент на заданном уровне, независимо от изменяющегося момента сопротивления, при любых внешних воздействиях.

4. Сформулированы требования к конструкции и получена математическая модель электромеханической системы, позволяющей независимо воздействовать на упругие моменты в трансмиссии и в элементах металлоконструкций, на основании чего разработаны алгоритмы управления их динамической нагруженностью.

5. Установлена зависимость между вероятностными характеристиками нагрузки, действующей на исполнительный орган горной машины, и диапазоном изменения скорости движения исполнительного органа, необходимым для стабилизации нагрузок на элементы трансмиссии, на основании чего разработаны регуляторы скорости с применением методов нечеткой логики и адаптивные регуляторы.

6. Разработан новый комплекс алгоритмов для динамической идентификации ряда электрических, электромагнитных и механических параметров и неизмеряемых переменных величин асинхронных электроприводов горных машин на основе рекуррентного метода наименьших квадратов, расширенного фильтра Калмана и фильтров дифференциаторов с конечной импульсной характеристикой, необходимых для работы предложенной системы управления электроприводов.

7. Получена математическая модель электроприводов напора и подъема для экскаваторов с канатно-полиспастной системой выдвижения рукояти, учитывающая их взаимосвязь и изменения параметров.

8. Разработан комплекс алгоритмов для управления электроприводами напора и подъема одноковшового экскаватора с канатно-полиспастной системой выдвижения рукояти, позволяющих улучшить динамическое состояние механических подсистем этих приводов.

Практическое значение работы заключается в разработке алгоритмов управления динамическим состоянием электроприводов горных машин, обеспечивающих повышение их долговечности; в разработке алгоритма градиентного управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя; в исследовании динамических свойств систем управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя; в разработке способа снижения вибраций металлоконструкций горных машин, вызванных взаимодействием рабочего органа с забоем; в разработке алгоритмов для системы управления электроприводов экскаватора с канатно-полиспастной системой выдвижения рукояти; в разработке рекомендаций по синтезу и настройке алгоритмов управления и динамической идентификации параметров и переменных величин электроприводов горных машин; в разработке мобильной измерительной системы, позволяющей производить оценку динамических нагрузок одноковшовых экскаваторов в процессе их эксплуатации; в разработке стенда для испытаний асинхронных двигателей и их систем управления; в разработке программных средств, позволяющих реализовать разработанные алгоритмы и осуществлять анализ динамических процессов, протекающих в электроприводах горных машин.

Личный вклад заключается в решении проблемы управления динамическим состоянием механических подсистем электроприводов горных машин путем формирования асинхронным электродвигателем силового управляющего воздействия.

В рамках отдельных разделов диссертации личный вклад автора заключается: в построении обобщенной математической модели электромеханических систем электроприводов горных машин, учитывающей особенности работы как электрических, так и механических компонент; в разработке алгоритмов, позволяющих управлять электромагнитным моментом асинхронного двигателя, упругими моментами в трансмиссии и металлоконструкциях, а также скоростью рабочего органа горных машин; в разработке методов динамической идентификации электрических, электромагнитных и механических параметров и переменных величин электроприводов горных машин; в обосновании структуры электромеханической системы, позволяющей одновременно формировать упругие силы в элементах трансмиссии и в металлоконструкциях горных машин; в разработке математической модели и регуляторов для электроприводов напора и подъема одноковшового карьерного экскаватора.

Автор принимал непосредственное участие в разработке программных средств и проведении экспериментальных и вычислительных исследований, в обработке и анализе полученных результатов по всем разделам диссертации.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Опытный образец преобразователя частоты с градиентным управлением электромагнитным моментом прошел промышленные испытания в условиях ОАО "Электромашина" и принят к внедрению.

Компьютерная система для идентификации параметров и состояния асинхронного двигателя прошла промышленные испытания в условиях поверхностного технологического комплекса ОАО «Шахта Заречная».

Система мониторинга динамического состояния электроприводов одноковшовых экскаваторов прошла испытания в Кузбассе в условиях разреза "Вахрушевский"ОАО УК "Кузбассразрезуголь", а в условиях ОАО "Междуречье" по результатам успешных испытаний рекомендована к внедрению.

Были произведены испытания преобразователя частоты с градиентным управлением моментом и наблюдающего устройства для двухмассовой механической системы на специально разработанном на кафедре электропривода и автоматизации Кузбасского государственного технического университета универсальном компьютеризированном испытательном стенде. Этот стенд используется как для научных исследований, так и в учебном процессе студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов». Научный материал работы используется также в учебном процессе этой специальности в курсах «Теория электропривода» и «Системы управления электроприводов».

Апробация работы.

Основное содержание работы, ее отдельные положения и результаты докладывались и получили одобрение на следующих конференциях:

Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы развития автоматизированного электропривода» (г. Новокузнецк, 2002 г.); Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.); IV Всероссийская научно-практическая конференция «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (г. Новокузнецк, 2003 г.); II Всероссийская научно-практическая конференция «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях» (г. Новокузнецк, 2004 г.); XVII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-17» (г. Кострома, 2004 г.); Х Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово 2004 г.); Международная научно-практическая конференция «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2004 г.); научный симпозиум «Неделя горняка-2004» (МГГУ, г. Москва, 2004 г.); Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2005 г.); III Всероссийская научно-практическая конференция «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях» (г. Новокузнецк, 2006 г.); ХI Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири - Сибресурс 2006» (г. Кемерово 2006 г.); ХХ Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20» (г. Ярославль, 2007 г.); I Всероссийская научно-техническая конференция «Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса» (г. Кемерово, 2007 г.); III научно-техническая конференция с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии ЭЭЭ-2007» (г. Новосибирск, 2007 г.); Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2007 г.); Международная научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2007 г.); VII Международная научно-практическая конференция «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» (г. Кемерово, 2007 г.); V China-Russia symposium on underground and building engineering of city and mine «Advances in geotechnical and structural engineering» (Qingdao, China 2008); ежегодные научно-технические конференции КузГТУ (г. Кемерово, 1999-2008 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 печатных работ, в состав которых входят монография и патент на изобретение. При этом 50 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций.

2. Основное содержание работы

Во введении рассмотрено состояние проблемы, обоснована актуальность, сформулированы цель и основные задачи работы.

В первой главе проведен анализ условий работы электроприводов горных машин (ГМ) и направлений их совершенствования.

Эксплуатация электроприводов ГМ сопровождается переходными процессами в их элементах. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, на исполнительный орган ГМ действует изменяющаяся случайным образом нагрузка, а, с другой стороны, оператор формирует управляющее воздействие на электропривод, которое также можно считать случайной функцией времени, определяемой квалификацией оператора и характеристиками разрушаемой горной породы. Эти воздействия, а также наличие упругой податливости элементов трансмиссии ГМ, способствуют возникновению в них механических колебательных переходных процессов. Амплитуда механических напряжений в элементах трансмиссии при этом может в несколько раз превышать среднее значение, в результате чего в них происходит интенсивное накопление усталостных повреждений. Существенная доля аварийных простоев ГМ вызвана выходом из строя механических элементов именно по этой причине.

Одним из способов повышения долговечности механических подсистем ГМ является снижение в них динамических нагрузок средствами управляемого электропривода. Этим вопросом занимались такие ученые, как Р.М. Валиев, П.Д. Гаврилов, Е.К. Ещин, Д.А. Каминская, В.И. Ключев, М.С. Ломакин, А.В. Ляхомский, Г.Я. Пятибратов, В.Н. Фащиленко, В.И. Янцен и многие другие.

В работах этих ученых рассмотрены вопросы демпфирования и активного ограничения электроприводом упругих колебаний и при этом большинство из них основано на рассмотрении электромеханической системы с двигателем постоянного тока и привязано к определенным типам горных машин.

Эти работы имеют большое теоретическое и практическое значение и являются исходной базой при проведении представленных в настоящей диссертационной работе исследований. Успехи последних лет в развитии силовых полупроводниковых преобразователей и микропроцессорной техники привели к появлению управляемого асинхронного электропривода с высокими динамическими свойствами. Использование такого электропривода в структуре горных машин дает возможность решить проблему управления динамическим состоянием его механических подсистем на новом техническом и научном уровне.

На основе проведенного анализа сформулирована цель работы и определены задачи исследований.

Во второй главе на основе анализа перспективных направлений совершенствования электроприводов ГМ сформулированы требования и обоснована структура электропривода, необходимая для реализации этих требований.

На функциональной схеме, приведенной на рис.1, приняты следующие обозначения: СУ - система управления электропривода; РС - регулятор скорости; РУМ - регулятор упругого момента; РМ - регулятор электромагнитного момента двигателя; ЭЧП - электрическая часть привода, включающая в себя электрический преобразователь энергии и обмотки электродвигателя; МП - механический преобразователь (трансмиссия ГМ); БИМ - безынерционный источник момента; НУ - наблюдающее устройство; щ^* - заданное значение угловой скорости движения рабочего органа; М^*_у - заданное значение упругого момента; М^* - заданное значение электромагнитного момента; U - напряжение, подводимое к статору двигателя; М - электромагнитный момент двигателя; М_с - момент сопротивления; щ - угловая скорость движения исполнительного органа; Y_эм, Y_м - векторы измеряемых электромагнитных и механических переменных; Y_эм, Y_м - векторы оцененных электромагнитных и механических переменных.

При определении структуры электропривода учитывались следующие требования:

1. Обеспечение быстродействия и точности регулирования скорости движения исполнительного органа, необходимых для обеспечения требуемой производительности ГМ.

2. Снижение динамических нагрузок в механических элементах электропривода, вызванных изменением сил сопротивления и процессами разгона и торможения исполнительного органа.

3. Снижение влияния действий оператора на формирование динамических нагрузок в механических элементах электропривода.

4. Использование в качестве приводных машин асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (АД).

5. Возможность создания унифицированных элементов системы управления, применимых для разного типа горных машин.

Рис. 1. Функциональная схема электропривода горной машины

Исходя из перечисленных требований, в разрабатываемой системе присутствует три контура регулирования. Внутренним контуром является контур регулирования электромагнитного момента двигателя, обладающий свойствами безынерционного источника момента (БИМ) и включающий в себя АД и автономный инвертор напряжения с регулятором электромагнитного момента.

Вторым контуром регулирования является контур регулирования упругих моментов и упругих сил. Для упрощения изложения в дальнейшем будем говорить только об упругих моментах, подразумевая при этом и упругие силы.

Использование гипотезы о безынерционном источнике момента существенно упрощает процедуру синтеза регулятора упругого момента, поскольку в модели объекта управления электрическая подсистема при этом рассматривается как пропорциональное звено.

Внешним контуром системы управления является контур регулирования скорости движения исполнительного органа, определяющей производительность ГМ. Требования к этому контуру неоднозначны. Во-первых, он должен обеспечить необходимую точность регулирования скорости движения исполнительного органа. С другой стороны, его выходной сигнал является заданием для контура регулирования упругого момента, изменение которого будет определять уровень динамических нагрузок в трансмиссии. Таким образом, вторым требованием к контуру регулирования скорости будет минимизация динамичности его выходного сигнала.

Следует отметить, что использование структуры, приведенной на рис. 1, позволяет унифицировать блоки в виде безынерционного источника момента и регулятора скорости, применяя их без изменения практически для любых горных машин, осуществляющих выемку горной массы из забоя. В свою очередь, регулятор упругого момента и наблюдающее устройство базируются на моделях механических подсистем, которые могут существенно отличаться для разных типов горных машин. В этом случае можно выполнять их в виде унифицированных блоков для отдельных типов ГМ.

Во второй главе также представлены математические модели асинхронного электродвигателя на базе уравнений обобщенной электрической машины, автономного инвертора напряжения, основанного на векторной широтно-импульсной модуляции, и механических преобразователей энергии, представленных в виде уравнения Лагранжа второго рода и результатов его решения.

В третьей главе приведены исследования динамических характеристик электромеханической системы, состоящей из асинхронного электродвигателя, автономного инвертора напряжения и управляющего устройства, включающего в себя регулятор электромагнитного момента. В результате исследований было выявлено, что данную систему можно рассматривать в качестве безынерционного источника момента применительно к электроприводам горных машин, если регулятором электромагнитного момента является система с полеориентированным управлением F. Blaschke или с прямым управлением моментом I. Takahashi и T. Noguchi.

В работе предложен новый способ управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя, позволяющий реализовать БИМ применительно к электроприводам горных машин. Этот способ управления был получен с использованием алгоритма скоростного градиента А.Л. Фрадкова. Для этого была использована модель асинхронного двигателя в виде:

,

;

;

x=[ш_1б,ш_1в,ш_2б,ш_2в, щ]^T - вектор состояния АД; ш_1б, ш_1в, ш_2б,ш_2в- составляющие векторов потокосцепления статора и ротора; u=[u_1б,u_1в]^T - вектор входных (управляющих) воздействий; u_1б, u_1в - составляющие вектора напряжения статора; k₂=L_m/(L_m+L₂); L^'₁=L₁+k₂L₂; у=1/(L₁L₂-L_m²).

Цель управления представлена функционалом:

.

В результате был получен алгоритм формирования составляющих вектора напряжения статора по осям б-в, необходимый для достижения цели управления:

где г, h₁₁, h₂₂ - постоянные коэффициенты.

Данный алгоритм был приведен к виду:

где М_Н, ш_1Н - номинальные значения электромагнитного момента и модуля вектора потокосцепления статора двигателя.

Функциональная схема, реализующая данный алгоритм, представлена на рис. 2. Она включает в себя интегральный регулятор потокосцепления РП, интегральный регулятор момента РМ, автономный инвертор напряжения АИН и наблюдающее устройство НУ, в котором происходит вычисление значений вектора потокосцепления статора, его модуля и электромагнитного момента двигателя.

Рис. 2. Структура системы управления асинхронным двигателем

На рис. 3 и рис. 4 представлены заданное и отрабатываемое значения электромагнитного момента двигателя при синусоидальном задании входного воздействия для систем с полеориентированным управлением, прямым управлением моментом и градиентным управлением моментом. Несовпадение графиков на начальном участке вызвано процессом намагничивания электрической машины, поэтому при использовании данных систем в составе безынерционного источника момента необходимо осуществлять предварительное намагничивание двигателя.

Следует отметить, что при реализации системы градиентного управления моментом не требуется выполнять координатных преобразований, как, например, в полеориентированном управлении, и не требуется знание параметров АД, кроме активного сопротивления статора, которое используется в наблюдающем устройстве при определении вектора потокосцепления. В то же время, результаты исследований показывают, что точность регулирования момента АД, как в статике, так и в динамике, не уступает другим известным способам.

Разработан также способ градиентного управления для варианта многодвигательного электропривода, питающегося от одного преобразователя частоты на основе зависимостей:

а)

б)

Рис. 3. Электромагнитный момент асинхронного двигателя: а) при полеориентированном управлении; б) при прямом управлении моментом

где N - количество электродвигателей.

Результаты моделирования работы этой системы представлены на рис. 5. Проведенные исследования данного способа управления показали, что он может использоваться при реализации безынерционного источника момента для многодвигательного электропривода.

Рис. 4. Электромагнитный момент асинхронного двигателя при градиентном управлении

Рис. 5. Регулирование момента двух двигательного электропривода

В четвертой главе описаны разработанные алгоритмы управления упругими моментами в элементах трансмиссии. При синтезе алгоритмов управления упругими моментами использовались методы синергетической теории управления А.А. Колесникова.

При разработке регулятора упругого момента учитывалось, что в системе управления присутствует безынерционный источник момента. Это позволило осуществить синтез алгоритмов управления, основываясь только на математической модели механического преобразователя, считая, что величина электромагнитного момента М, равная М^*, является для него управляющим воздействием, как это показано на рис. 6.

Рис. 6. Канал регулирования упругого момента

В общем случае, механические передачи горных машин включают в себя большое количество элементов, в них присутствуют механические зазоры. При работе ГМ на элементы трансмиссии действуют диссипативные силы. Однако исследования протекающих в них динамических процессов показывают, что во многих случаях расчетные схемы механических передач могут быть упрощены до двухмассовой системы.

Учитывая, что механические зазоры при управляемом электроприводе достаточно просто выбираются в процессе пуска, а диссипативные силы по своей физической сущности способствуют естественному затуханию упругих колебаний, синтез алгоритма управления для регулятора упругого момента осуществлялся с использованием модели двухмассовой системы в виде:

где щ₁, щ₂, J₁, J₂ - угловые скорости и моменты инерции первой и второй масс; М - момент сил, прикладываемый к системе (управляющее воздействие); М_1,2 - упругий момент; М_С - момент сопротивления (возмущающее воздействие); С_1,2 - коэффициент жесткости упругой связи.

На основании этой модели получен алгоритм:



где Т₁, Т₂ - постоянные времени, определяющие скорость приближения значения упругого момента к заданной величине М_1,2^*.

Исследование данного алгоритма с помощью компьютерного моделирования показало, что он обладает робастностью по отношению к параметрам механической системы, а наибольшее влияние на качество управления оказывает постоянная составляющая ошибки в каналах измерения угловых скоростей. Для исключения этого недостатка полученная зависимость была модернизирована и приведена к виду:

Для исследования особенностей работы многомассовых систем с использованием данного алгоритма при формировании упругих сил в качестве объекта была рассмотрена модель АД, питаемого от АИН с ШИМ, и модель десятимассовой механической системы с параметрами, соответствующими трансмиссии привода резания очистного комбайна Eickhoff SL300 с учетом диссипативных сил, присутствующих в механической передаче.

Модель системы управления включает в себя разработанные алгоритм градиентного управления электромагнитным моментом АД и алгоритм управления упругим моментом. Моменты инерции и коэффициенты жесткости, необходимые для реализации алгоритма управления упругим моментом, были получены путем приведения исходной десятимассовой системы к двухмассовой. Исследования этой системы показали (рис. 7), что колебания упругих моментов имеют максимальное отклонение от среднего значения около 4%, в то время как при нерегулируемом варианте это отклонение достигает 50 % при тех же условиях.

Рис. 7. Моменты в десятимассовой системе: 1) намагничивание двигателя; 2) разгон; 3) работа под нагрузкой

Анализ характера изменения электромагнитных переменных, показанных на рис. 8, свидетельствует, что потокосцепления поддерживаются на заданном уровне, а токи не превышают номинального значения. Таким образом, проверка работы алгоритмов подтвердила их эффективность для управления динамическим состоянием электроприводов горных машин.



Рис. 8. Электромагнитные переменные асинхронного двигателя в режимах: 1) намагничивание двигателя; 2) разгон; 3) работа под нагрузкой

В пятой главе решена задача управления скоростью рабочего органа горной машины, с учетом требований по низкой динамичности упругих моментов в элементах трансмиссии, путем формирования соответствующего электромагнитного момента АД.

Изменение скорости рабочего органа ГМ при наличии упругих связей в трансмиссии определяется разностью между упругим моментом, приводящем рабочий орган в движение, и моментом сопротивления, препятствующим его движению. Таким образом, для стабилизации скорости необходимо изменять упругий момент с той же интенсивностью, что и момент сопротивления, что противоречит задаче снижения динамических нагрузок в элементах трансмиссии.

В связи с этим, в работе предложено ослабить требования к динамической точности регулирования скорости, введя зону ее допустимого отклонения.

При этом, для стабилизации упругого момента, переменная составляющая момента сопротивления должна компенсироваться динамическими моментами, вызванными изменением скорости движения рабочего органа и вала электродвигателя. При известной спектральной плотности момента сопротивления S_Mc(Щ) дисперсия угловой скорости вала электродвигателя будет определяться выражением:

.

Далее, зная дисперсию угловой скорости вала электродвигателя, можно определить плотность распределения вероятности. Таким образом, задавшись желаемой вероятностью нахождения угловой скорости вала электродвигателя в заданной области, можно определить границы области допустимого отклонения скорости рабочего органа. В случае, если скорость выходит за заданные границы, необходимо формировать упругий момент таким образом, чтобы вернуть ее в заданную область.

Поставленная выше задача управления угловой скоростью электропривода характеризуется некоторой неоднозначностью, поскольку предусматривает разные требования к поведению регулятора при различных состояниях объекта управления. Эта задача решена на основе методов нечеткой логики и адаптивного управления.

При реализации регулятора скорости, основанного на нечеткой логике, были приняты функции принадлежности лингвистических переменных, показанные на рис. 9. Нечеткая база правил для предлагаемого регулятора показана в табл. 1. Она обеспечивает принятие такого решения, при котором, в случае больших отклонений угловой скорости от границ диапазона, управляющее воздействие будет формироваться только на основании лингвистических переменных набора А, а в случае нахождения угловой скорости в заданном диапазоне, управляющее воздействие будет стабилизировать величину упругого момента. Логическое заключение формируется на основе операции нечеткой импликации по Ларсену, а дефаззификация логического заключения производится по методу центра масс. Учитывая, что особенностью данного регулятора является зависимость качества регулирования от опыта эксперта, осуществляющего его настройку, в работе также рассмотрены варианты адаптивных регуляторов.

Работа адаптивного регулятора с переменной структурой основывается на переключениях между реализуемыми функциями М_1,2^*=kщ₂+A₁; М_1,2^*=kщ₂+A₂; М_1,2^*=A₃, в зависимости от текущего состояния электропривода. Эти функции графически представлены на рис. 10, соответственно, линиями 1, 2 и 3.

Таблица 1 Нечеткая база правил

Решение Rij	А1	А2	А3	А4	А5	А6	А7	А8	А9
В1	C9	C8	C8	C7	C6	C5	C4	C2	C1
В2	C9	C8	C7	C7	C6	C5	C3	C2	C1
В3	C9	C8	C7	C6	C5	C4	C3	C2	C1
В4	C9	C8	C7	C5	C4	C3	C3	C2	C1
В5	C9	C8	C6	C5	C4	C3	C2	C2	C1

Для стабилизации упругого момента и поддержания угловой скорости в области, ограниченной линиями 1 и 2, необходимо осуществлять переключение функций в соответствии с алгоритмом, приведенным на рис. 11. Недостатком данного регулятора является сложность процесса его настройки.

Этого недостатка лишен адаптивный компенсационный регулятор, реализующий зависимость М_1,2^*=М_дин^*+М_С^ср, где М_С^ср - среднее значение момента сопротивления; М_дин^* - требуемое значение динамического момента, необходимого для изменения угловой скорости, которое определяется в зависимости от величины отклонения угловой скорости рабочего органа от заданной:

Набор А

Набор B

Набор C

Рис. 9. Функции принадлежности лингвистических переменных

Рис. 10. Пространство состояний исполнительного органа двухмассовой механической системы



Рис. 11. Алгоритм работы адаптивного регулятора с переменной структурой

Графически эта зависимость представлена на рис. 13.

Исследование работы полученных регуляторов проводилось методом компьютерного моделирования на базе модели электропривода резания очистного комбайна Eickhoff SL300. Для примера, на рис. 12 представлены результаты работы адаптивного компенсационного регулятора. Они показали, что при использовании каждого из этих регуляторов угловая скорость рабочего органа не выходит за границы заданного диапазона, а амплитуда колебаний упругого момента в среднем снизилась в 8 раз по сравнению с результатами работы нерегулируемого электропривода при тех же внешних условиях.

Таким образом, разработанные алгоритмы управления скоростью позволяют обеспечить требуемую производительность горных машин, одновременно улучшая динамическое состояние элементов трансмиссии электроприводов.

В шестой главе рассмотрен вопрос снижения уровня вибраций, обусловленных воздействием изменяющегося электромагнитного момента на статор двигателя и наличием упругих элементов в металлоконструкциях горной машины, путем стабилизации упругих напряжений в них.

Рис. 12. Результаты работы адаптивного компенсационного регулятора скорости

Рис. 13. Зависимость требуемого динамического момента от угловой скорости рабочего органа



Рис. 14. Упрощенная расчетная схема сдвоенного двигателя

Для этих целей предлагается использовать управляемую электромеханическую систему, состоящую из двух асинхронных двигателей, статородного из которых жестко связан с ротором второго. Получена математическая модель такой электромеханической системы, а ее расчетная схема представлена на рис. 14. Система имеет два канала управления. Алгоритмы управления упругими моментами соответствующих каналов основаны на зависимостях:

В шестой главе также приведены алгоритмы управления угловыми скоростями каждого из составляющих двигателей, полученные с использованием компенсационного адаптивного регулятора скорости.

Результаты компьютерного моделирования электромеханической системы с разработанными алгоритмами управления представлены на рис. 15. Использование такой системы позволяет снизить амплитуду колебаний упругих сил в элементах трансмиссии и металлоконструкциях, без учета переходных процессов пуска, на 65-80 % по отношению к амплитуде колебаний нагрузки.

В седьмой главе обоснована необходимость и представлены решения задачи динамической идентификации ряда электрических, электромагнитных и механических параметров и неизмеряемых переменных величин электропривода, необходимых для функционирования его системы управления.

Рис. 15. Результаты работы сдвоенного двигателя

Идентификация параметров обмотки статора и цепи намагничивания асинхронного двигателя основывается на данных, полученных при работе двигателя на холостом ходе. Процедура их идентификации схематично представлена на рис. 16.

В блоке 1 определяется активное сопротивление и потокосцепление статора с использованием фильтра Калмана. При этом используется модель состояния:



Рис. 16. Схематическое представление процедуры идентификации параметров обмотки статора и цепи намагничивания

и модель измерения:

,

где ; ; ; ; ; Т_d - период дискретизации.

В блоке 2 рассчитывается производная тока статора. В блоке 3 на базе фильтра Калмана определяется индуктивность рассеяния статора. Модель состояния в этом случае имеет вид:



а модель измерения:

,

; ;

; .

В блоке 4 определяется реактивная составляющая тока статора. В блоке 5 определяется индуктивность цепи намагничивания по зависимости:

,

; .

В блоке 7 определяется полная индуктивность статора, как сумма индуктивности рассеяния статора и индуктивности цепи намагничивания.

Параметры ротора определяются из опыта пуска под нагрузкой в соответствии с алгоритмом, который схематично представлен на рис. 17.

По измеренным токам и напряжениям в блоке 1 определяется вектор потокосцепления цепи намагничивания по уравнению:

.

Ток ротора вычисляется блоком 2 в соответствии с выражением:



Рис. 17. Схематическое представление процедуры идентификации параметров обмотки ротора

.

Идентификация индуктивности обмотки ротора осуществляется в блоке 3, в соответствии с зависимостью:

.

Идентификация активного сопротивления ротора осуществляется блоком 5, в соответствии с зависимостью:

.

Для определения вектора потокосцепления ротора совместно с активными сопротивлениями статора и ротора был использован фильтр Калмана, для которого были приняты модель состояния:

и модель измерения:

Анализ работы системы идентификации потокосцепления статора показал, что его использование позволяет получить робастную систему управления электромагнитным моментом двигателя по отношению к активным сопротивлениям его обмоток.

Для идентификации механических координат были рассмотрены варианты использования фильтров дифференциаторов с конечной импульсной характеристикой и фильтра Калмана.

При использовании фильтров дифференциаторов задача идентификации сводится к последовательному решению уравнений:

При реализации фильтра Калмана использовалась модель двухмассовой механической системы, расширенная введением в вектор состояния момента сопротивления, а в качестве измеряемой величины использовалась угловая скорость первой массы.

В восьмой главе проведен анализ совместной работы элементов разработанной системы управления на примере механической подсистемы электроприводов одноковшового экскаватора ЭКГ-10.

Для электроприводов подъема и напора карьерного экскаватора была разработана математическая модель, учитывающая их взаимную связь и изменяющиеся параметры. Модель механической подсистемы, в соответствии с рис. 18, имеет следующий вид:

где J_н - суммарный приведенный момент инерции первой массы электропривода напора, включающий момент инерции ротора двигателя, муфты предельного момента, тормозного шкива, зубчатой передачи и напорного барабана; с_н - приведенная жесткость канатов напорного механизма; J_п - суммарный приведенный момент инерции первой массы электропривода подъема, включающий момент инерции ротора двигателя, муфты предельного момента, тормозного шкива, зубчатой передачи и барабана подъемной лебедки; с_п - суммарная приведенная жесткость канатов подъемного механизма; m_р, m_к, m_п - масса рукояти, ковша и породы соответственно; М_н - электромагнитный момент двигателя напора, приведенный к скорости напорного барабана; М_п - электромагнитный момент двигателя подъема, приведенный к скорости подъемного барабана; щ_н, щ_п - угловые скорости первых масс приводов напора и подъема соответственно; F_сн,М_сп - сила и момент сопротивления приводов напора и подъема соответственно; v_к - линейная скорость ковша; щ_к - угловая скорость ковша и рукояти; б - угол наклона стрелы относительно горизонта; ц_н, ц_п - угловое положение напорного барабана и подъемного барабана соответственно; s_к - величина выбега рукояти; ц_к - угловое положение рукояти; в - угол наклона подъемного каната относительно рукояти; r_н - радиус напорного барабана; r_п - радиус подъемного барабана; l_р - полная длина рукояти.

Рис. 18. Схематическое изображение конструкции приводов экскаватора ЭКГ-10

На базе этой модели была построена система управления, структура которой приведена на рис. 19, где в качестве регулятора электромагнитного момента использован алгоритм градиентного управления моментом асинхронного двигателя, а в качестве регулятора скорости - адаптивный компенсационный регулятор. Алгоритмы для регуляторов упругой силы (РУС) были получены с учетом особенностей математической модели механической подсистемы электроприводов.

Результаты моделирования процессов при черпании грунта экскаватором ЭКГ-10 показаны на рис. 20 и рис. 21. Для сравнения, на рис. 22 приведено изменение усилия в канате привода напора, полученное экспериментально при работе карьерного экскаватора ЭКГ-10 на разрезе «Вахрушевский» в Кузбассе, при выполнении аналогичной операции черпания.

Рис. 19. Структура системы управления взаимосвязанными электроприводами подъема и напора карьерного экскаватора

а)

б)

Рис. 20. Регулирование усилий в канатах: а) упругая сила привода напора; б) упругая сила привода подъема

а)

б)

Рис. 21. Регулирование скорости ковша: а) угловая скорость привода подъема; б) линейная скорость привода напора

Рис. 22. Усилие в канате привода напора экскаватора ЭКГ-10

Таким образом, полученные результаты подтвердили эффективность разработанных алгоритмов управления и динамической идентификации применительно к электроприводам горных машин.

В девятой главе приведены результаты экспериментальных испытаний, проведенных для проверки полученных в диссертационной работе результатов.

Адекватность математической модели механической подсистемы электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора проверялась с помощью разработанной и изготовленной мобильной измерительной системы, включающей в себя пять измерительных станций, передающих информацию на базовую станцию по радиоканалу. Места установки измерительных станций на элементах электромеханической системы приводов экскаватора ЭКГ-10 показаны на рис. 23, где цифрами 1-4 обозначены датчики углового положения, 5 и 6 - датчики тока, 7 - базовая станция.

Рис. 23. Места установки датчиков на экскаваторе ЭКГ 10

Процедура проверки адекватности модели заключалась в подстановке измеренных моментов двигателей в математическую модель и дальнейшее сравнение результатов моделирования с экспериментально полученными данными. Для примера, на рис. 24 приведены измеренная и смоделированная упругая сила в канате привода напора. Сравнительный анализ показал, что наибольшая разница между измеренными и смоделированными данными, по отношению к их максимальному значению, присутствует в скорости привода напора и составляет 25 %. При этом средняя ошибка составляет: для угловой скорости барабана привода напора - 6,4%; угловой скорости барабана привода подъема - 3,4 %; усилия в канате привода напора - 6,1 %; усилия в канате привода подъема - 8,8 %.

а)

б)

Рис. 24. Упругая сила привода напора: а) по результатам моделирования; б) по результатам эксперимента

Таким образом экспериментально была подтверждена адекватность математической модели механической подсистемы электроприводов напора и подъема карьерного экскаватора

Для экспериментальных исследований алгоритма градиентного управления моментом асинхронного двигателя был разработан и изготовлен преобразователь частоты с оригинальной системой управления. Испытания проводились в условиях ОАО «Электромашина» (г. Кемерово) и в научно-исследовательской лаборатории кафедры электропривода и автоматизации ГУ КузГТУ. Результаты испытаний представлены на рис. 25.