Разработка и исследование системы двухдвигательного электропривода конвейеров для транспортировки сыпучих материалов

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 корректирующие 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 коррекцииразработаны 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 элементапредложена 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 837 720 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» (Новочеркасск 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.

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 частотноуправляемого 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 837 720 рублей в течение года.