Новые алгоритмы управления забойным скребковым конвейером

Авторы: Alan R. Broadfoot, Robert E. Betz

Источник:NOVA: The University of Newcastle Research Online

Автор перевода: Ю.А. Зубова

В работе исследуется новый подход управления забойным скребковым конвейером (КСД) с использованием привода с регулируемой скоростью.

Традиционно в КСД использовали фиксированную скорость или двухскоростные электродвигатели с различными механическими характеристиками, используемые при попытке решить проблемы, которые возникают.

Эта статья представит алгоритмы управления, разработанный для КСД на базе привода с регулируемой скоростью, а также раскроет проблемы производительности через компьютерное моделирование. Полное обсуждение проблем, связанных с контролем КСД можно найти в сопроводительном документе [1].

Забойные скребковые конвейера (КСД) используются для транспортировки угля из разрезной лавы на комбайн к ленточному конвейеру на другом конце лавы.

КСД – довольно сложная электромеханическая система, которая, в соответствии с действующим режимов контроля, имеет ряд эксплуатационных проблем.

Эти проблемы подробно обсуждаются в другой статье [1] и будет кратко изложены здесь.

Проблемы в конвейерах КСД в общих чертах можно разделить на электрические проблемы и механические.

1) падение напряжения в связи с высокими пусковыми токами;

2) возможность срыва из-за появления напряжения извне;

3) разность в напряжении, подаваемого на двухскоростные электродвигатели;

4) большие колебания крутящего момента при запуске КСД;

Основные механические проблемы, влияющие на операции КСД:

1) изменения в спецификации коробки передач;

3) утечки рабочей жидкости влияют на распределение нагрузки между приводами.

Эксплуатационные последствия вышеуказанных электрических и механических проблем:

1. КСД системы склонны к опрокидыванию, особенно когда запускаются при полной загрузке.

2. Двухприводные КСД не разделяют нагрузку равномерно, что приводит к опрокидыванию и/или сокращению срока службы компонентов привода.

Примечание 1: Результатом этих проблем, является снижение производства КСД из-за опрокидывания конвейера или отказа в работе компонентов системы привода.

Остальная часть этого документа будет посвящена проблемам двухприводных конвейеров типа КСД. Эти конвейера используются для более длинных пластов. Проблемы которые связанны с одноприводными конвейерами типа КСД, также актуальны для двухприводных конвейеров. Решение вышеуказанных проблем будет рассмотрено в данной работе. Перспективным способом повышения технического уровня забойных скребковых конвейеров является использование асинхронного частотно-регулируемого привода, позволяющего не только обеспечить плавный пуск загруженного конвейера, но и оптимизировать режим его работы в зависимости от производительности добычной машины с целью повышения ресурса привода, тягового органа и рештачного става. Эта технология способна дать асинхронным машинам характеристики машин электрического постоянного тока, т. е. с высокой пропускной способностью и с точным контролем крутящего момента. Эта статья будет рассматривать одну конкретно возможную реализацию системы управления КСД.

Были разработаны следующие цели для управления КСД:

1. контролировать основной и вспомогательный штрек, так, чтобы они равномерно распределить нагрузку на конвейере, несмотря на несоответствия работы в приводе;

2. помочь конвейеру успешно начать запуск при пониженных значения напряжения, при полной загрузке конвейера;

3. минимизировать падение напряжения, вызванное большими пусковыми токами;

4. при падении напряжения необходимо предотвратить опрокидывание конвейера КСД;

5. устранение утечки рабочей жидкости из приводного механизма;

6. контролировать скорость КСД в определенном значении, при котором запрограммированные значения предельного тока не увеличивались.

При достижении поставленных задач, проблемы, указанные в работе [1] были бы исключены.

В работе [1] было представлено несколько попыток решить проблему опрокидывания и распределения нагрузки между приводами для конвейеров КСД, используя комбинацию электрических и механических методов. Может оказаться полезным рассмотреть некоторые из них на этом этапе.

Для того чтобы начать запуск полностью загруженного КСД, необходим чётко определённый пусковой момент. Для получения этого пускового момента использовались различные методы.

Использовались три метода, для получения большого пускового момента при прямом пуске от сети:

1. управление временем восстановления асинхронных машин с фазным ротором, с сопротивлением во внешней цепи или энергией скольжения;

2. беличья клетка или роторные машины с высоким сопротивлением;

1. Управление временем восстановления асинхронных машин с фазным ротором, с сопротивлением во внешней цепи или энергией скольжения. Асинхронные машины с фазным ротором нежелательны в горной среде, так как они не столь надёжны как асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором и значительно дороже. Существует также проблема с низкой энергоэффективность данной схемы.

Альтернативной конфигурацией для асинхронных машин с фазным ротором, является использование электронного преобразователя мощности, вместо резисторов. Если машина имеет ограниченный диапазон скоростей, то подход восстановления скольжения имеет преимущество, инвертор может рассчитывать только на мощность скольжения, что значительно меньше, чем номинальная мощность в этих условиях. Однако, так как привод конвейеров КСД должен производить вращающий момент при полной нагрузке и при нулевой скорости, то это преимущество теряется. Инвертор восстановления скольжения должен быть рассчитан на номинальную мощность машины. Следовательно, потенциал экономии средств из-за частично номинальных мощностей теряется.

2. Беличья клетка или роторные машины с высоким сопротивлением. Использование беличьей клетки в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, это хорошо известный метод если необходимо получить высокий пусковой момент. При использовании ротора с высоким сопротивлением можно добиться улучшений пускового момента, но эти машины работают при более высоких значениях установившегося скольжения в сравнении с беличьей клеткой. Это означает, что скорость работы будет ниже, для этого типа техники при заданной частоте входного питания, а эффективность будет меньше, из-за более высоких потерь на обмотках ротора.

Эти преимущества привели к использованию беличьей клетки в асинхронных двигателях для конвейеров КСД. Однако этот подход имеет значительные недостатки. Асинхронный двигатель все еще страдает от значительных проблем пускового тока и последующих падений значений напряжения.

3. Двухскоростные двигатели. Двухскоростные асинхронные машины более эффективны, так как они имеют два набора обмоток с различным числом полюсов. Эти обмотки позволяют машине достигать желаемой скорости работы. Двухполюсные асинхронные машины дают лучший пусковой момент в сравнении с обычной асинхронным двигателем, но проблемы перегрузки по току во время пуска конвейера по-прежнему присутствуют. При запуске, машина демонстрирует больший пусковой момент чем в обычной машине, поэтому гидравлические муфты по-прежнему необходимы, чтобы предотвратить повреждения коробки передач и КСД.

Примечание 2: Все вышеперечисленные методы имеют общую проблему, они не решают проблему запуска конвейера, что приводит к существенному падению напряжения. Кроме того, они не предлагают никаких жизнеспособных методов для учета напряжения между концами привода.

4. Механические решения. Были приняты следующие механические решения, которые необходимо применить в попытке преодолеть проблемы, связанные с конвейером КСД:

Гидравлические муфты: гидромуфты традиционно является наиболее популярным регулирующим устройством при запуске конвейера. Их преимущество в том, что позволяют асинхронным машинам наращивать скорость достаточно быстро, так как нагрузка на КСД не позволяет вращения на валу двигателя при низких скоростях, из-за характеристики скольжения муфты. Кроме того, гидравлические муфты предотвращают передачу больших переходных пульсаций крутящего момента, присутствующих при запуске на коробке скоростей.

Тем не менее, это не самый верный подход по сравнению с другими методами которые будут приведены далее в этой статье. Гидравлические муфты являются "слабыми" с точка зрения системы привода и склонны к перегреву или отказу в работе.

Гидравлические муфты сцепления: в последние годы применяются гидравлические муфты сцепления. По существу, это сцепления, которые охлаждается водой, могут быть изменены с помощью гидравлики, находятся под контролем программного устройства управления, и крутящий момент, передаваемым на нагрузку, и скорость вала может изменяться. Существуют проблемы в области эффективности, а также практические трудности в связи с водоснабжением для охлаждением сцепления. Гидравлические сцепления, как правило, довольно громоздки, поэтому его трудно устанавливать и забирать на техобслуживание при необходимости.

Цели из раздела II показывают, что использование привода с регулируемой скоростью (ПРС) может быть целесообразно. Современные привода с регулируемой скоростью могут повысить надежность, проблемы с которой существуют много лет. Данное устройство широко используются в большинстве других отраслях промышленности. Угольная промышленность не торопится принять эту технологию. ПРС вкупе с компьютерным управлением предлагают совершенствование технологии, необходимое для достижения всех необходимых целей.

Если использовать силовой источник электропитания, существует несколько различных электронных конфигураций, в том числе следующие:

• асинхронная машина с фазным ротором / электродвигатель двойного питания с инвертором;

• обычный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Остальная часть этого документа будет рассматривать обычный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Структурная схема, показывающая общую схему ПРС на основе КСД системы привода, противопоставленной с условным приводом, показана на рис. 1.

Будем искать алгоритм управления, который может быть использован отдельными контроллерами, а затем рассмотрим вопрос координации.

Есть два основных варианта, которые доступны для управления, квазистационарный пошаговый алгоритм и вектор ориентирующий алгоритм управления.

Квазистационарный алгоритм управления. В настоящее время в машину (и, следовательно, вращающий момент) контролируется с помощью частоту скольжения машины. Квазистационарный алгоритм управления относится к категории управления, которые подают напряжения, пропорционально электрической частоты. Блок-схема для одного конкретного алгоритма управления показана на рис. 2. Обратите внимание, что алгоритм может иметь контур регулирования скорости.

Рис. 2. Блок-схема квазистационарного алгоритма управления для асинхронного двигателя

Частота скольжения машины – регулируемая величина, которая косвенно управляет величиной синусоидального тока, проведенной от питания. Поэтому проблемы падение напряжения, связанные с началом запуска в значительной степени облегчена.

Вектор ориентирующий алгоритм управления:

Рисунок 3 – Общая топология системы управления

Общая структура машины с двойным управлением показана на рис. 3. Как видно, есть только одна заданная скорость, которая используется только для управления. Присутствие натяжения означает, что нет дополнительного протяжения в цепи с изменением нагрузки и, следовательно, угловые скорости двигателей должны быть такие же.

Отдельные контроллеры двигателей основаны на принципе прямого вектора управления.

На рисунке 4 показаны существенные черты общего прямого поля ориентированного алгоритма векторного управления. Все расчеты управление осуществляется в синхронно вращающейся системе отсчета приблизительно совпадающем с вектором потока ротора. Много исследований за последние десять лет были посвящены поиску надежного алгоритма оценивания коэффициента сопротивления ротора, для прямого и непрямого алгоритма управления. Эти проблемы были в значительной степени решены и вектор алгоритма, ориентированный на контроллеры в настоящее время имеют широкое применение во многих машинах постоянного тока. Следует отметить, что для КСД, секция управления скоростью контроллера является общим между контроллерами на двигателе в вспомогательном и основном штреке.

Ключевые уравнения управления, которые используются для прямого управления [6]:

i_sx

составляющая намагничивания тока статора

i_sy

составляющая крутящего момента тока статора.

Обратите внимание, что потоком в устройстве можно управлять независимо от крутящего момента. Это ключевая особенностью векторного управления.

Рисунок 4 – Блок-схема прямого векторного управления

В связи с тем, что лавы в Австралии не имеют необходимого оборудования для проведения экспериментальной оценки предлагаемых решений, вышеуказанные утверждения были проверены путем создания имитационной модели для КСД и ее двигателей с использованием динамической системы моделирования в Simulink. Были предприняты все усилия, чтобы использовать реалистичные параметры для двигателей, систем снабжения и коробок передач.

На рис. 5 представлен график в крутящего момента для случая, где есть 1% несоответствие коробки передач между основным штреком и вспомогательным. Пунктирная линия показывает крутящий момент, этот вариант называется идеальным моментом. При несоответствии в 1%, это приводит к разнице моментов в 18% между основным штреком и вспомогательным. Очевидно, что нагрузки на машинах очень чувствительны к этому параметру. На рис. 6 представлена разница между идеальным и реальным крутящим моментом для основного штрека. Обратите внимание, что во время переходного процесса ошибка достаточно мала.

Рисунок 5 – Характеристика несоответствия момента с коробкой передач в основном штреке

Рисунок 6 – Ошибка между фактическими и идеальными крутящим моментами в основном штреке

На рис. 7 представлена кривая крутящего момента, когда есть несоответствие в напряжении между основном и вспомогательным штреком. Обратите внимание, что характеристика крутящего момента смещается примерно на 1с, это происходит из-за более медленного времени разгона КСД. Это связано с низким суммарным крутящим моментом, который создаётся машинами при этих условиях.

Рисунок 7 – Кривые фактического и идеального момента в основном штреке с несоответствием в напряжении

Рисунок 8 – Кривые фактического и идеального крутящего момента для вспомогательного штрека с несоответствием в напряжении

На рис. 9 показана кривая крутящего момента между основным и вспомогательным штреком при условии несоответствия напряжения. Обратите внимание, что эта кривая является двойственной в случаи, когда в коробке передач есть несоответствия в период ускорения, и есть маленькая ошибка во время устойчивого состояния.

Рисунок 9 – Кривая крутящего момента с несоответствием напряжения в основном/вспомогательном штреке

На рис. 10 представлена кривая вращающего момента участков основного и вспомогательного штрека, когда конвейер контролируется векторным управлением. Существует несоответствие в 1% между коробками передач. Два участка идентичны, они показывают, что происходит точное распределение нагрузки между устройствами. Для сравнения на рис. 11, представлена кривая с ошибкой в крутящем моменте между двумя машинами.

Рисунок 10 – Кривая крутящего момента участков для вектор-регулируемых приводов КСД

Рисунок 11 – Кривая с ошибкой в моменте между основным и вспомогательным штреком при несоответствии в коробки передач

На рис. 12 представлена кривая моментов векторного управления конвейера, когда есть несоответствие напряжения между хвостовым и головным двигателем. Как и в предыдущем случае, соответствующий крутящий момент настолько точен, что два участка лежат на верхней части друг друга.

Для сравнения представлена кривая на рис. 13, с ошибкой между основным и вспомогательным штреком. Процент ошибки очень мал. В векторном управлении для всех этих случаев включен эффект нагрева ротора. Сопротивление ротора меняется от 50% до 150. Если потребуется хорошие переходные характеристики, то в течение более длительных периодов времени, выравнивание сопротивления ротора будет необходимо.

Рисунок 12 – Кривая крутящего момента участка при векторном управлении машин с несоответствием напряжения

Рисунок 13 – Кривая крутящего момента при векторном управлении конвейера с несоответствием в коробки передач

Как видно из графиков, вращающий момент при векторном управлении быстрее возрастает до требуемой величины. Таким образом, крутящий момент прикладывается к нагрузке практически мгновенно.

Рис. 14 показывает фактическую скорость цепи и идеальную скорость цепи (т.е., без падения напряжения) для запуска от сети.

На рис. 15 показана кривая скорости цепи при векторном управлении конвейера в случае, когда сопротивление как в кабеле между основным и вспомогательным штреком одинаковы.

Рисунок 15 – Скорость цепи для векторно-управляемых КСД

Производительность предлагаемых вектор-регулируемых приводов может быть оценена на основе целей, описанных в разделе II.

1. Как видно из графиков в предыдущем разделе, при векторным управлением, двигатели равномерно распределить нагрузку, несмотря на коробку передач и несоответствия электросетей.

2. В условиях понижения подачи питания, пусковой момент не будет уменьшатся при векторном управлении, так как, на низкой скорости, алгоритм управления обычно имеет достаточно напряжения, чтобы генерировать крутящий момент при полной нагрузке.

3. Падение напряжения при пуске значительно снижается, так как векторное управление запрашивает только нормальный ток при полной нагрузки конвейера.

4. Сопротивление напряжения, распределённое между основным и вспомогательным штреком, полученные при векторным управлением также дает достаточную степень устойчивости к внешним воздействиям.

5. Высокий пусковой момент в сочетании с отсутствием переходных процессов в крутящем моменте при векторном регулировании приводом означает, что жидкость может быть устранена из системы. Все вышеперечисленные моделирования привод были проведены без гидромуфты.

6. Регулирование скорости КСД не доступны при использовании векторного управления.