ДонНТУ   Портал магістрів

Головатий Максим Володимирович

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра гірничої електротехніки і автоматики імені Р.М. Лейбова

Спеціальність “Автоматизоване управління технологічними процесами”

Обгрунтування параметрів і структури засобу автоматизації пуску скребкового конвеєра на основі застосування квазичастотного перетворювача

Науковий керівник: к.т.н., доцент Маренич Костянтин Миколайович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження
• 3. Скребковий конвеєр як об'єкт досліджень
• 4. Результати досліджень
• 4.1 Технічні можливості квазичастотного режиму
• 4.2 Обгрунтування алгоритму перемикання асинхронного двигуна з квазичастотного режиму на номінальний
• 4.3 Обгрунтування принципу моделювання процесів у системі “квазичастотний перетворювач – асинхронний двигун”
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Скребкові конвеєри (СК) є головними транспортними пристроями для переміщення гірської маси з вибою і від їх надійності роботи залежить продуктивність усієї шахти. У той же час експлуатація конвеєра характеризується наявністю підвищених моментів опору. У ряді випадків мають місце пуски які не здійснилися, вони викликані заштибовкою тягового органу. Застосування гідромуфти не дозволяє вирішити завдання автоматичної расштибовкі та захисту електроприводу від заштибовки, тому наукову і практичну актуальність представляє завдання пошуку та обґрунтування альтернативних способів управління пусковими режимами електропривода СК в умовах підвищених моментів опору.

1. Актуальність теми

Експлуатація шахтного скребкового конвеєра відрізняється інтенсивним розгоном тягового органу при пуску, що створює небезпеку травматизму для обслуговуючого персоналу в стиснутому просторі очисного вибою. Крім цього, в процесі експлуатації мають місце пуски навантаженого СК, що пов'язане з необхідністю подолання підвищених моментів опору. Дослідженнями [1] доведено, що момент опору при пуску СК в 1,6-1,8 разів перевищує величину моменту опору в процесі руху (рис. 1) [1].

На сьогоднішній день для забезпечення плавності пуску конвеєра в його електроприводі передбачена гідромуфта. Однак її пуско-захисні функції реалізуються не повною мірою. Механічна характеристика гідромуфти дозволяє здійснити розгін при малому навантаженні асинхронного двигуна (АД), однак створює умови для різкого набросу обертального моменту на трансмісію при досягненні двигуном номінальної швидкості. Високий момент інерції гідромуфти призводить до збільшення розтягуючих зусиль тягового органу при стопорении, що сприяє пориву ланцюга [2].

Зазначені обставини зумовлюють необхідність пошуку нових технічних рішень у галузі управління пусковими режимами приводу. У перспективному електроприводі рівень пускової швидкості повинен бути відповідним зі швидкістю переміщення людини в умовах очисного вибою і не перевищувати 0,2-0,3 м/с [2]. Виходячи з перерахованих вимог, пуск скребкового конвеєра можливо здійснити шляхом управління частотою обертання ротора АД. Аналіз відомих способів частотного регулювання дає підстави вважати, що найбільш прийнятним для даних умов є спосіб квазичастотного управління АД, у якому за рахунок програмного перемикання груп тиристорів силового комутатора на його виході формується трифазна напруга фіксованого зниженої частоти.

2. Мета і задачі дослідження

Метою дослідження є підвищення ефективності експлуатації шахтного СК на основі наукового обгрунтування параметрів і структури пристрою квазичастотного керування електроприводом з функцією автоматичного перемикання двигуна на природну механічну характеристику.

Основні задачі дослідження:

1. Аналітичний огляд досліджень і розробок в галузі управління пуском асинхронного електроприводу шахтного СК.
2. Розробка математичної і комп'ютерної моделі системи “квазичастотного перетворювач – асинхронний двигун”, дослідження та аналіз процесів у ній.
3. Розробка технічного рішення з автоматизації пуску СК.
4. Обгрунтування вимог щодо безпечної експлуатації розробленого засобу автоматизації.

3. Скребковий конвеєр як об'єкт досліджень

Скребковий конвеєр – це засіб транспорту безперервної дії, тяговим органом якого є нескінченний ланцюг (один, два або три) із закріпленими на ньому скребками. При русі ланцюга скребки захоплюють транспортуючий матеріал і переміщують його по желобу в напрямку руху ланцюга. Пристрій СК наведено на рисунку 2.

СК може мати один або два електроприводи 1 на одному або обох кінцях рештачного става 2. Кожен його привід містить від одного до двох приводних блоків 3. До складу приводного блоку входять з'єднані послідовно АД з короткозамкненим ротором 4, гідромуфта 5 і редуктор 6. Основним призначенням гідромуфти є забезпечення плавності пуску електропривода конвеєра і захист скребкового ланцюга 7 від пориву при стопорінні [3].

4. Результати досліджень

4.1 Технічні можливості квазичастотного режиму

Квазичастотного режим електроживлення АД забезпечує стійку знижену частоту обертання ротора і може використовуватися для реалізації зниженої швидкості приводу при пуску. Наступний розгін до номінальної частоти обертання ротора АД припускає перемикання частот живлячої напруги із зниженою на номінальну.

Формування квазисинусоидальної напруги здійснюється за допомогою модуляції напруги мережі частоти fc сигналом зниженої частоти fm, за рахунок переключення груп тиристорів силового тиристорного комутатора за заданим законом.

На рисунку 3 наведені механічні характеристики АД при квазичастотному режимі з урахуванням ЕРС обертання ротора (частота живлення АД 10 Гц).

Результуюча механічна характеристика 1 АД є сумою статичних характеристик, що визначаються першою, п'ятою, сьомою і т.д. гармоніками напруг (криві 2, 3, 5). Зіставляючи результуючу 1 і природну 5 механічні характеристики АД можна ствержувати, що при квазичастотному управлінні синхронна частота обертання ротора відповідає моделюючій частоті напруги, при цьому момент АД при пуску може бути значно збільшений [4].

Таким чином, квазичастотний режим електроживлення АД забезпечує:

• підвищений електромагнітний момент;
• стійку знижену частоту обертання ротора і може використовуватися для реалізації зниженої швидкості приводу при пуску;
• можливість реверсу без контакторної комутації.

4.2 Обгрунтування алгоритму перемикання асинхронного двигуна з квазичастотного режиму на номінальний

Ступінчасте перемикання АД з квазичастотного режиму на номінальний пов'язане з ефектом ривка, оскільки має місце зниження швидкості АД, викликане розбіжністю векторів потокозчеплень [5].

Задачу зменшення ударних моментів в АД при його розгоні шляхом дискретного підвищення частот живлячої напруги можна вирішити в розімкнутих системах управління напівпровідниковими перетворювачами за рахунок програмної зміни у часі керуючих впливів, що подаються на вхід перетворювача, і забезпечення фазонаправленного включення подальшого режиму. При рівності за модулем і збігом по фазі векторів початкових і сталих потокозчеплень статора (ротора) величина перехідного моменту АД дорівнює нулю [5]. Дана умова може бути виконана шляхом повільної зміні частоти підводимої до АД напруги. Для забезпечення рухового моменту АД співвідношення частот мережевої і квазисинусоідальної напруги складає (3n ± 1), де n – число натурального ряду. При цьому, співвідношення fc / fm = (6n ± 1) дозволяє досягти повної симетрії форм квазисинусоідальних напруг у фазах і напівхвилях [6]. Очевидно, що розгін АД доцільно проводити з фіксованої частоти fm = 50 / 7 = 7,14 Гц.

Завдання реалізації керованого розгону АД повинна вирішуватися шляхом дискретного підвищення частоти квазичастотної напруги виходячи з принципу збігу по фазі векторів струмів, напруг, потокозчеплення, відповідних моменту закінчення попереднього і моменту початку наступного режиму електроживлення АД.

Враховуючи, що трифазна система квазичастотної напруги може бути досягнута як при fc / fm = (6n ± 1), так і при fc / fm = (3n ± 1) доречно припустити, що першим етапом керованого розгону двигуна повинен стати переведення його з частоти 7,14 Гц на 12,5 Гц, супроводжуваний підвищенням частоти перемикання груп тиристорних ключів. Враховуючи, що відкритий стан тиристорів в кожній групі за своєю тривалістю суперечитиме тривалості включеного стану груп тиристорів при fc /  fm = (3n±1), в даному випадку раціонально усунути парні або непарні інтервали включення груп тиристорів із сукупності відповідної fc / fm = (6n ± 1). Подібний же підхід доречний і для подальшого проміжного інтервалу адаптації просторового положення векторів потокозчеплення двигуна з режимом електроживлення номінальною напругою. У даному випадку доречно збільшити частоту напруги до 16,67 Гц (fc / fm = 3n) вважаючи, що відповідно буде збільшена частота перемикання тиристорних ключів, а періодична форма напруг у фазах тиристорного регулятора буде забезпечена чергуванням включених станів і пауз між ними. Діаграма послідовності включення тиристорів для формування частот 7,14 Гц, 12,5 Гц и 16,67 Гц наведена в таблиці 1 [7].

Таблиця 1 – Діаграма послідовності включення тиристорів

Частоти	Інтервали комутації	Включені тиристори
		VS1	VS2	VS3	VS4	VS5	VS6
7,14 Гц	I		•	•		•
	II		•		•	•
	III	•			•	•
	IV	•			•		•
	V	•		•			•
	VI		•	•			•
12,5 Гц	I	пауза
	II		•		•	•
	III	пауза
	IV	•			•		•
	V	пауза
	VI		•	•			•
16,67 Гц	I		•	•		•
	II	пауза
	III	пауза
	IV	•			•		•
	V	пауза
	VI	пауза

Таким чином, розгін приводу здійснюється шляхом подачі на АД напруг наступної послідовності частот: fc / fm = 7; fc / fm = 4; fc / fm = 3; fc / fm = 1 (рис. 4).

4.3 Обгрунтування принципу моделювання процесів у системі “квазичастотний перетворювач – асинхронний двигун”

Для дослідження процесів у системі “квазичастотний перетворювач – асинхронний двигун” пропонується структура комп'ютерної моделі (рис. 5) [8].

У даній комп'ютерній моделі в якості квазичастотного перетворювача виступають три пари зустрічно-паралельних моделей тиристорів (VS1-VS6) підключених до трифазної мережі (AC Voltage Source-AC Voltage Source2), фази яких зсунуті відносно один одного на 120°. На вхід управління кожного тиристора подається команда, яка формується блоком пульсового генератора Pulse Generator1-Pulse Generator6, в послідовності наведеній у таблиці 1.

Тривалість одного інтервалу комутації для частоти 7,14 Гц розраховується за формулою:

де Тc – період напруги промислової частоти, який дорівнює 0,02 с; n – число натурального ряду, що визначається кількістю півхвиль напруги мережі в напівхвилі квазисинусоідальної напруги на протязі одного інтервалу включення тиристорів (для частоти 7,14 Гц n = 7).

Тиристори VS1, VS3, VS5 пропускають позитивні напівхвилі напруги, а VS2, VS4, VS6 – негативні. Таким чином, тривалість однієї напівхвилі квазисинусоіди становить:

Отримані в результаті моделювання квазисинусоідальні напруги і струми наведені на рисунках 6, 7 і 8.

Аналізуючи рисунки 6 і 7, можна зробити висновок, що в результаті впливу ЕРС обертання моменти комутації тиристорів зміщуються, що в кінцевому підсумку обумовлює підвищення споживаного струму (рис. 8).

Висновки

При обгрунтуванні алгоритму управління АД в процесі його перемикання з квазичастотного режиму на природну механічну характеристику розглянуті проблемні питання та шляхи їх вирішення. На підставі даного алгоритму розроблена комп'ютерна модель системи “квазичастотний перетворювач – асинхронний двигун”, за допомогою якої отримані діаграми квазисинусоідальних напруг і струмів при частоті квазисинусоідальної напруги 7,14 Гц і вплив на них ЕРС обертання АД.

Отримані результати при моделюванні процесів у системі “квазичастотний перетворювач – асинхронний двигун” дозволяють оцінити функціональні властивості квазичастотного управління АД.

Перелік посилань

1. Чугреев Л.И. Динамика конвейеров с цепным тяговым органом / Л.И. Чугреев. – М.: Недра, 1976. – 256 с.
2. Головатый М.В. Обоснование рациональности квазичастотного принципа управления приводом рудничной транспортной установки / М.В. Головатый, К.Н. Маренич // Материалы XI международной научно-технической студенческой конференции ДонНТУ «Механика жидкости и газа» 28-30 ноября 2012 г. – Донецк, 2012. – С. 16-18.
3. Маренич К.Н. Автоматизований електропривод машин і установок шахт и рудників: навч. посібник для вузів / К.М. Маренич, Ю.В. Товстик, В.В. Турупалов, С.В. Василець, І.Я Лізан. – Донецьк: ДонНТУ, Харків: УІПА, 2011. – 245 с.
4. Маренич К.Н. Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами / К.М. Маренич. – Донецк: ДонДТУ, 1997. – 64 с.
5. Трещев И.И. Методы исследования машин переменного тока / И.И. Трещев. – Л.: Энергия, 1969. – 235 с.
6. Маренич К.Н. Асинхронный электропривод подземного скребкового конвейера с тиристорным пуско-защитным аппаратом / К.М. Маренич // Дис. канд. техн. наук. – Донецк, 1991. – С 54-56.
7. Головатый М.В. Алгоритм управления асинхронным двигателем в процессе его перевода с квазичастотного режима на естественную механическую характеристику / М.В. Головатый, К.Н. Маренич // Cб. научных трудов. XIII научно-технической конференции аспирантов и студентов «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых» 14-17 мая 2013 г. – Донецк, 2013. – С. 116-118.
8. Головатый М.В. Обоснование принципа моделирования процессов в системе «квазичастотный преобразователь – асинхронный двигатель» / М.В. Головатый, К.Н. Маренич // Cб. научных трудов. XII научно-технической конференции аспирантов и студентов «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых» 17-20 мая 2012 г. – Донецк, 2012. – С. 152-154.
9. Лаусенко А.В. Скребковые конвейеры. Справочник / А.В. Леусенко. – М.: Недра, 1992. – 221 с.
10. Штокман И.Г. Расчёт и конструирование горных транспортных машин и комплексов / И.Г. Штокман, П.М. Кондрахин, В.Н. Маценко. – М.: Недра, 1975. – 464 с.
11. Петров Л.П. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода / Л.П. Петров. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 200 с.
12. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB / Ю. Лазарев. – СПб.: Питер, 2005. – 512 c.
13. Герман-Галкин С.Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронный систем на ПК / С.Г. Герман-Галкин – СПб.: КОРОНА-Век, 2008. – 368 с.