Обоснование параметров двухканальной системы управления предохранительного торможения шахтной подъёмной машины с асинхронным приводом

Актуальность работы. Современная шахтная подъёмная установка (ТТТПУ) — это сложный электромеханический комплекс, играющий важную роль в обеспечении нормального функционирования шахты. Выход из строя подъёмной установки влечёт за собой нарушение рабочего процесса шахты, а также может быть причиной несчастных случаев.

Наблюдаются также неисправности, требующие остановки подъёмной машины. К ним относятся регулярная смена тормозных колодок механического тормоза, вызванная постоянным их износом. Наиболее интенсивный износ тормозных колодок происходит при аварийной остановке подъёмной машины (ПМ), когда они накладываются на обод подъёмного барабана при максимальной скорости движения подъёмных сосудов, а подъёмный двигатель работает на естественной механической характеристике. Аварийная остановка ПМ вызывается срабатыванием не только аппаратуры защиты подъёмного двигателя или исчезновения напряжения питающей сети, но и при превышении скорости движения подъёмных сосудов. Наличие ограничителя скорости обеспечивает в этом случае отключение подъёмного двигателя и наложению тормозных колодок к ободу барабана при скорости, превышающей номинальную скорость на 15%. Это приводит к ещё большему износу тормозных колодок, что уменьшает их межремонтный срок. В результате этого снижается производительность шахты в целом.

Повысить надёжность работы ШПУ можно за счёт дублирования предохранительного тормоза. Учитывая невозможность применения второго механического тормоза, дублирование предохранительного тормоза можно производить электрическим тормозом путём перевода подъёмного двигателя в режим динамического торможения. Это стало возможным с разработкой новых схем динамического торможения асинхронного двигателя с фазным ротором, позволяющих создать тормозной момент без внешнего источника постоянного тока.

Кроме того, наличие режима холостого хода при аварийной остановке ШПМ, приводит к тому, что в этот период подъёмная машина работает в режиме свободного выбега, т. е. является неуправляемой. Заполнение режима свободного выбега режимом динамического торможения, позволяет организовать режим одновременного действия (РОД) двух видов тормозов электродинамического и механического. РОД динамического и механического тормозов позволяет не только продублировать предохранительный тормоз, при выходе последнего из строя, но и снизить время и путь торможения, что особенно важно, уменьшить время нахождения тормозных колодок или другого тормозного устройства в соприкосновении с ободом барабана, а следовательно, угол поворота барабана, находящегося под воздействием тормозного устройства. Это позволяет снизить износ тормозных колодок предохранительного тормоза и повысит их срок службы.

Поэтому разработка двухканальной системы управления электроприводом и приводом механического тормоза в период аварийной остановки подъёмной машины с целью повышения эффективности торможения, является актуальной задачей.

Целью работы является обоснование параметров двухканальной системы управления предохранительного торможения шахтной подъёмной машины с асинхронным двигателем на основе разработки математической модели и способов управления, направленные на повышение безопасности и эффективности торможения.

Идея работы заключается в дублировании предохранительного тормоза системой динамического торможения асинхронного двигателя с фазным ротором путём разработки новых способов управления по критерию минимума воздействия колодок предохранительного тормоза на обод барабана, направленных на повышение безопасности аварийной остановки Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Зависимости пути торможения, угла поворота барабана, находящегося под действием колодок механического тормоза, кинетической энергии, подлежащей «гашению» тормозным устройством, от максимальной скорости при подъёме и спуске груза малых и крупных подъёмных машин.

2. Математическая модель шахтной подъёмной машины с электроприводом переменного тока, реализующая режим одновременного действия электродинамического и механического тормозов и учитывающая влияние различных факторов и параметров подъёмной установки и асинхронного двигателя на характер протекания переходного процесса при подъёме и спуске груза.

3. Зависимости угла поворота барабана подъёмной машины, находящегося под воздействием предохранительного тормоза, от параметров электропривода, работающего в режиме одновременного действия динамического и механического тормозов при подъёме и спуске груза, полученные.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждается корректным использованием апробированных методов теории электропривода, методов математического моделирования, а также экспериментальным подтверждением выводов достаточных для инженерной практики совпадения результатов анализа (погрешность в пределах 10−15%), компьютерного моделирования и физического эксперимента.

Научная новизна полученных результатов исследования состоит: — в разработке математической модели асинхронного электропривода и предохранительного тормоза, работающих в режиме одновременного действия для анализа переходных процессов при аварийной остановке подъёмной машины;

— в установлении зависимостей, позволяющих оценить качество переходных процессов при аварийной остановке подъёмной машины. Практическое значение работы заключается в разработке:

— рекомендаций по выбору рациональной схемы электропривода подъёмной машины по критерию минимального времени нахождения колодок механического тормоза в соприкосновении с ободом барабана;

— методики расчёта параметров добавочных резисторов, включаемых в цепь постоянного или переменного тока ротора.

Реализация результатов работы.

Разработанная методика расчёта сопротивлений добавочных резисторов, включаемых в цепь постоянного или переменного тока, с целью регулирования момента и частоты вращения, а также для согласования тока статора и тока ротора и обеспечения оптимального теплового режима асинхронной машины, работающей в режиме динамического торможения с самовозбуждением, принята ОАО «Специальное конструкторско-технологическое бюро башенного краностроения» к реализации. Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах кафедры ЭЭГП Ml’l У и на научных симпозиумах МГГУ в рамках «Недели горняка» (г. Москва, 2007;2009г.) и на пятой международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2009 г.). Публикации. По теме диссертации опубликованы пять работ. Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти.

Выводы.

1. Определены три направления повышения эффективности РОД динамического и механического тормозов при аварийной остановке ШПМ:

— сокращением времени торможения;

— снижением износа тормозных колодок механического тормоза или другого тормозного устройства;

— повышением нагрузочной способности подъёмной машины.

2. Исследование переходных процессов аварийной остановки ШПМ в РОД двух типов тормозов при непосредственном подключении выпрямителя, включённого в цепь ротора асинхронного двигателя, к обмоткам статора и добавочным резистором Rвключённым параллельно обмоткам статора, барабана, находящегося под воздействием колодок механического тормоза, будут минимальными.

3. Исследование переходного процесса аварийной остановки ШПМ в РОД двух видов тормозов показало, что дальнейшее повышение эффективности предохранительного тормоза для схемы динамического торможения, соответствующей п. 2, возможно за счёт ступенчатого регулирования частоты вращения подъёмного двигателя. Рассмотренная трёхступенчатая схема управления позволяет: снизить путь торможения на 54,8%, кинетическую энергию на 16,5%, угол поворота барабана, находящегося под воздействием колодок предохранительного тормоза, на 73%, максимальное усилие механического тормоза на 19,3% и увеличить замедление на 74%.

4. Исследование переходных процессов аварийной остановки ШПМ в РОД двух видов тормозов с форсированием электромагнитного переходного процесса в обмотках статора асинхронного двигателя позволило сохранить показатели, приведенные в п. З, но одновременно с этим улучшить динамику электропривода за счёт снижения максимального момента с М ч =3,9.

5. Исследование переходных процессов аварийной остановки ШПМ в РОД двух видов тормозов показало возможность значительного снижения износа тормозных колодок или другого тормозного устройства при условии, если путь торможения остаётся неизменным, что характерно для действующих ТТТПУ. При таком способе управления динамическим и механическим тормозами позволило не только снизить число оборотов барабана, находящегося под действие предохранительного тормоза на 87%, но и снизить кинетическую энергию на 68%.

6. Исследование переходных процессов аварийной остановки ШПМ в РОД двух видов тормозов показало возможность обеспечения допустимой величины замедления даже при спуске номинального груза. Это позволило до М ч м ma max 2,15 исМ т.д. max упростить операции по спуску груза, исключив необходимость загрузки поднимающейся клети.

7. Для существующих ШПУ рекомендуется схема динамического торможения асинхронной машины с электролитическим конденсатором в цепи выпрямленного тока ротора, позволяющая не только создать тормозной момент без внешнего источника постоянного тока, но и регулирование величины тормозного момента.

ГЛАВА5.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ.

5.1. Задачи промышленных испытаний и экспериментальных исследований.

Задачей промышленных испытание и экспериментальных исследований является :

— установление соответствия действительных замедлений предельно допустимым величинам в режиме аварийной остановке ШПМ при подъёме и спуске груза;

— сравнение действительных диаграмм скорости при аварийной остановке ШПМ под действием только предохранительного торможения с результатами экспериментальных исследований для подтверждения правильности математического описания предохранительного торможения;

— экспериментальное исследование схемы динамического торможения с самовозбуждения асинхронного двигателя без внешнего источника постоянного тока с целью определения коэффициента обратной связи по току ротора.

5.2. Расчёт коэффициента массивности для двухклетевой подъёмной установки шахты им. Губкина ОАО «КМАРуда».

Схема вертикальной двухклетевой подъёмной установки шахты им. Губкина приведена на рис. 5.1. Технические данные подъёмной установки приведены ниже.

Подъёмная машина МПБ-5−2-2- Диаметр барабана, мм- 5000- Ширина барабана, мм- 2000; Количество барабана, шт.- 2;

Максимальное статическое натяжение канатов, Н — 86 735- gt-jj.f not9. K~onf>,.

Разность статических натяжений канатов, Н — 47 495- Высота подъёма, м — 315 мВысота копра, м — 24,5- Длина струны, м — 33.

Максимальная скорость подъёма, м/с — 5,7- Редуктор типа ЦО — 18- Передаточное отношение — 11,5- Маховой момент редуктора, КГМ2 — 100 000;

Масса подъёмного сосуда с подвесным и парашютным устройствами, КГ-1770;

Масса вагонетки, кг -470- Масса расчётного груза в клетки, кг — 4000- разрешённая (с учётом вагонетки), кг -3000- Подъёмная масса каната, кг/м — 5,47;

Расстояние от нулевой отметки до разгрузочной площадки, м — 8- Высота подъёма, м — 7- Допустимая, м — 6,5 Глубина зумпфа, м — 1,1;

Маховой момент направляющего шкива, КГ1- 9796- Диаметр направляющего шкива, мм — 3000- Электродвигатель типа АКН2−18−31−24- Мощность, кВт — 400;

Синхронная чистота вращения, мин ^ -250;

Номинальная чистота вращения, мин ^ - 240- Маховой момент, КГМ2 — 2700.

Максимальная нагрузка в опасном сечение каната Q к.

ZQ +Q +P-(H + h) м гр

8 =.

Где Qмасса клети с прицепным устройством;

Q — расчётная масса груза в сосудегр

Рмасса одного погонного метра канатаН- высота подъёмаh- высота прицепного устройства при разгрузке подъёмного сосуда до точки схода к канатного шкива.

Статика двухклетевой подъёма для машины с цилиндрическим органом навивки.

Усилие в подъёмном канате: — гружёный сосуд внизу.

F = Q +EQ +P.{H + h) -g = гр. н [ гр м.

4000+1770+5,47.(315+23)]. 9,81=74,8 кН,.

— гружёный сосуд вверху.

4000+1770+5,47.15).9,81=57,4 кН,.

— порожний сосуд внизу.

1770+5,47.(315+23)]. 9,81=35,5 кН,.

— порожний сосуд вверху.

Перестановка барабана.

F =1?0 + P-(H + h)-g = пер 1 м v J.

1770+5,47.(315+23)]. 9,81=35,5 кН.

Разность статических натяжений при подъёме груза, когда гружёный сосуд находится внизу, а порожнийнаверху.

Ргр.н — Рпорм = 74,7 -18,6 = 56,1 кН.

Статические моменты.

Спуск-подъём.

М = (F — F) • R = 56,1 • 2,5 = 140,2 кНм, с гр. н пор.н н где R — радиус навивки или радиус барабана. ы.

Перестановка барабана.

М' = F — R = 35,5 • 2,5 = 88,8 кНм. с пер н.

Обрыв порожней ветви каната.

М' = F ¦ R = 74,8 • 2,5 = 187 кНм. с гр. н н.

Расчёты приведенной массы подъёмной установки.

Приведенная к окружности барабана масса поступательно движущихся и вращающихся частей подъёмной машины gd2 gd2 gda gd2. mnD = ?G + ^ + «—= n D2 D2 GD2 D2 Ped н гик H H.

9555,1+32 000+2.1088,4+4000+1.14 283=35,5.2,5=62 014,9 кг,.

Где =Qap+XQM + ЪЯк=Ягр + Ебм = 4000+2.1770+3015=10 555 кг.

10 =PL = P (L# + 3tc-D + 2-L +30) = к к п с.

5,47.(338+23+3.3,14.5+2.23+30)=5,47.551,2=3015 кг,.

L — длина струныL — длина каната- 3 — число витков трения на барабане;

С 7С.

30м — запасная длина каната.

Приведенная масса барабана к органу навивки в 800 000 = 32 000 кг. б d2 52 н.

Приведенная масса направляющего шкива к органу навивки.

G =-^ = ^ = 1088,4 кг. шк d2 32 н.

Приведенная масса редуктора к органу навивки, а °Р^=Ш000=4000кг. рео jyZ² н.

Приведенная масса ротора асинхронного двигателя к органу навивки.

QJ^l —=1-^ = 14 283 ов рео² н.

Коэффициент массивности тпр 62 014,9 1. Мсв~ F ~ 56 143 '.

5.3.Экспериментальные исследования переходных процессов при аварийной остановке ШПМ на ЭВМ.

Рассчитанные в 5.2 параметры предохранительного тормоза вводим в схему математической модели. На рис. 5.2 приведена осциллограмма переходного процесса при аварийной остановке ШПМ при подъёме груза.

Остановка ШПМ производилась с максимальной скорости V = 5,1м/с Из шах осциллограмм рис. 5.2 определены, все интересующие нас следующие величины, время торможения t, средняя величина замедления агп и т скорость Vx x в момент времени холостого хода. Скорость Vx х необходима для определения кинетической энергии, которая в дальнейшем гасится механическим тормозом и влияет на интенсивность износа тормозных колодок. При осциллографировании переходного процесса аварийной остановки ШПМ величина электромагнитной постоянной времени Г =0,65 с до. Г =0,75с. т. м м.

Первая цифра рекомендуется в работе [39], а вторая-принималась исходя из максимальной скорости, если она равна номинальной. Результаты обработки осциллограммы рис. 5.2 приведены в табл.5.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи — разработки двухканальной системы управления, обеспечивающей повышение эффективности работы тормозных систем шахтной подъёмной установки с асинхронным приводом.

На основании проведенных исследований получены следующие результаты и выводы:

1. Проведенные исследования работы ШПМ в режиме предохранительного торможения с учётом времени холостого хода t =0,5 с и экспоненциального закона нарастания тормозного усилия малых и крупных подъёмных машин позволили установить, что ни на одной подъёмной о машине не обеспечивается максимальное замедление, а =5,0 м/с. Это max обстоятельство увеличивает путь торможения, а следовательно, время нахождения обода подъёмного барабана под действием тормозных колодок, что увеличивает их износ.

2. Проведенные исследования работы ШПМ в режиме предохранительного торможения при снижении времени холостого хода с / = 0,5 с до ^ ° показывает:

— снижение пути торможения от 7,1% до 11,1% у всех типоразмеров ШПМ при подъёме и от 8,2% до 17,2% при спуске груза;

— время нахождения подъёмного барабана под действием тормозных колодок увеличивается независимо от типоразмера ШПМ при подъёме от 4,1% до 23% и снижается от 4% до 20% при спуске груза.

3 Проведенные исследования работы ШПМ в режиме предохранительного торможения при t =0,3 с и коэффициенте.

— отсутствие снижения числа оборотов п^, находящегося под действием.

6.т.м тормозных колодок у малых ШПМ до скорости^тах =7,0 м/с;

— снижение на 3% при подъёме и от 3% до 15% при спуске груза;

— снижения числа оборотов п^, находящегося под действием тормозных б.т.м колодок у крупных ШПМ от 3% до 15% при подъёме и от 19% до 22% при спуске груза.

4. Показана возможность дублирования предохранительного тормоза системой динамического торможения асинхронного двигателя с фазным ротором. о.

5. Достичь максимальной величины замедления a =5,0 м/с^ для шах любого типоразмера ШПМ и снижение числа оборотов п возможно о.т.м путём реализации режима одновременного действия двух тормозов.

6. Получены зависимости h, a, ., F — f® для.

J род б.т.м п© /".л*, max различных схем динамического торможения, которые свидетельствую на снижение h ч, п^, F и увеличение a. .. род б.т.м mjw. max п©.

7. Предложены способы повышения эффективности РОД динамического и механического тормозов за счёт:

— форсировки тока статора;

— задержки включения предохранительного тормоза при сохранении времени торможения;

— увеличения нагрузочной способности ШПМ при спуске груза.