"Автоматизация процесса регулирования скорости подачи очистного комбайна"

        Условия работы вынуждают искать решения выемки полезного иско-паемого без непосредственного участия человека, что выдвигает целый ряд повышенных требований к автоматизации используемого оборудования. С этой целью разрабатываются новые машины для выемки полезного ископаемого и соответствующее техническое и оперативное оснащение. Человеку же отводиться только роль руководящего процессом и осуществляющего про-верку и настройку определенного устройства.

        Выемочные машины являются главным средствам для добычи полезно-го ископаемого, что обуславливает большое внимание уделяемое их автома-тизации и постоянному улучшению их характеристик.

1. ОБЩИЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОПРИВОДА КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

        Свойства угледобывающих машин как объекта автоматического регулирования определяются устройством и принципом действия угледобывающей машины того или иного типа, особенностями работы исполнительных органов добычных машин, постановкой задачи автоматизации и пр. Для характеристики добычной машины как объекта автоматического регулирования важным является способ осуществления подачи машины. В большинстве существующих угледобывающих машин подача машины и разрушение угольного массива осуществляется за счет энергии одного и того же двигателя. Применяется подача с помощью непрерывной цепи при работе машины с рамы конвейера, а также каната.

        Качество процесса регулирования и конструкция авторегулятора зависят от правильного выбора регулируемой величины, которая должна иметь однозначную связь с нагрузкой двигателя и легко измеряться быстродействующим высокочувствительным датчиком простой конструкции. В качестве регулируемых могут быть приняты следующие величины: мощность, подводимая к двигателю от сети; ток двигателя; скольжение или температура обмоток двигателя; момент на валу двигателя; усилие подачи.

        Чаще всего в качестве регулируемого параметра принимают ток двигателя, так как это позволяет использовать в качестве датчиков нагрузки трансформаторы тока, создавая простые по конструкции и удобные в настройке и управлении регуляторы.

        Система автоматического регулирования нагрузки горных машин путем изменения скорости подачи, упрощенная функциональная схема которой показана на рис. 1.1, состоит из объекта регулирования очистного комбайна и авторегулятора нагрузки. Авторегулятор нагрузки состоит из чувствительного элемента (датчика 2 тока), элемента сравнения 2, задающего устройства 4, усилителя 5, электрогидравлического преобразователя (соленоида 6 с золотником), воздействующего на гидравлический насос 7 комбайна. При изменении нагрузки на режущий орган, например при ее увеличении вследствие повышения крепости угля, затупления резцов или по другим причинам, возрастает ток I при-водного электродвигателя 1, что приводит к возрастанию напряжения U1 на выходе датчика 2. На элементе сравнения 3 появляется разность напряжений, которая усиливается усилителем 5 и подается на соленоид 6. Последний перемещает золотник, и от вспомогательного плунжерного насоса под цапфу гидронасоса 7 поступает масло, в результате чего эксцентриситет его изменяется так, что скорость гидро-двигателя 8 (скорость подачи комбайна) уменьшается, и значение нагрузки возвращается к заданному.

Рисунок 1.1 – Функциональная схема системы авторегулирования нагрузки горных машин

        Для регулирования скорости подачи система имеет контур управления, который содержит датчик скорости 9, элемент сравнении 10 и за-датчик скорости 11 для задания уставки максимального значения скорости подачи. Кроме того, для улучшения качества процесса регулирования современные регуляторы обычно имеют корректирующие звенья и специальные устройства, задающие импульсные режимы процесса регулирования (на схеме не показаны). Такие авторегуляторы встраивают в гидравлические механизмы подачи 1Г405.

        Автоматическое регулирование нагрузки может обеспечить увеличение производительности машины при правильно заданной величине нагрузки, которую должен поддерживать регулятор. Обычно заданное значение нагрузки устанавливают в пределах 60—100% часовой мощности двигателя или принимают равным уставке номинального тока.

2 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ ПРИВОДА ПОДАЧИ ОЧИСТНОГО КОМБАЙНА

        Электропривод очистных комбайнов включает нерегулируемый, как правило двухдвигательный, асинхронный электропривод резания и регулируемый привод механизма подачи. Установленная мощность привода резания очистного комбайна достигла 300...600 кВт. В качестве привода механизма подачи применяются следующие системы: гидравлический привод (комбайны К101, 1ГШ68,2ГШ68, КШ1КГУ, КШ3М); электропривод с электромагнитной муфтой (комбайны К103М, КА90, К85); тиристорный электропривод постоянного тока (комбайны 1КШЭ, КСП, К10П) и интенсивно развивающийся частотно-регулируемый электропривод (ЧРЭП).Длительный опыт применения первых трех из указанных выше систем привода показал следующее.Гидравлический привод, обладая хорошими массогабаритными параметрами и простыми средствами ограничения перегрузок, имеет существенные недостатки - низкие КПД, надежность и долговечность, высокую чувствительность к чистоте рабочей жидкости. Кроме того, при создании привода с высокими силовыми и скоростными параметрами из-за больших потерь мощности возникают трудности с охлаждением привода. Электропривод с электромагнитной муфтой скольжения, простой в регулировании скорости подачи, имеет низкий КПД особенно в диапазоне скоростей подачи в два и больше раз ниже максимальной, невысокую надежность муфты. Также проблематично охлаждение привода при высоких мощностях привода подачи из-за больших потерь мощности. Электропривод постоянного тока имеет высокий КПД, достаточную надежность, позволяет получить высокие силовые и скоростные параметры механизма подачи. Однако двигатель постоянного тока имеет в 2...2,4 раза большие габариты и стоимость по сравнению с асинхронным двигателем (АД) при одной и той же мощности, что приводит к увеличению габаритов очистных комбайнов, работающих в ограниченных пространствах горных выработок. Кроме того, коллекторно-щеточный аппарат двигателя требует постоянного ухода при эксплуатации. В связи с вышеизложенным в последнее десятилетие ведутся исследовательские и опытно-конструкторские работы по применению для механизмов подачи очистных комбайнов частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП), включающего преобразователь частоты (ПЧ) и асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. ЧРЭП имеет высокие КПД и надежность, адаптированный к тяжелым условиям эксплуатации горной промышленности надежный и простой АД, и электронный ПЧ на современных силовых ключах.

        Движение очистного комбайна по груди забоя при неравномерной крепости породы будет выглядеть следующим образом:

        Рисунок 2.1 – Анимация движения очистного комбайна в лаве при неравномерной крепости угля
На рисунке представлено три фрагметна: 1 - комбайн разрабатывает однородную породу, 2 - комбайн попает на пустоту в породе; 3 - комбайн разрабатывает породу у которой повышенная крепость.

3 ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ ПО ЧАСТОТНОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ

ПРИНЦИП ДВУХЗВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

        Как известно, частотное управление является наиболее экономичным способом плавного регулирования частоты вращения асинхронного двигателя. Он во всем диапазоне регулирования работает с малой величиной скольжения ротора (малыми потерями скольжения), сохраняет высокий коэффициент полезного действия (кпд) и хорошую «жесткость» механических характеристик, может работать в двигательном и генераторном режиме. Наибольшее применение для широкодиапазонного регулирования частоты вращения асинхронных двигателей получили двухзвенные ВПЧ. Такие устройства преобразуют электроэнергию питающей сети в электроэнергию с требуемыми значениями напряжения, тока и частоты в два этапа. На первом с помощью выпрямителя производится преобразование тока и напряжения сети с частотой 50 Гц в постоянные ток и напряжение. На втором этапе постоянные ток и напряжение преобразуются в переменные, но уже с новыми, требуемыми для обеспечения желаемого режима работы электродвигателя значениями тока, напряжения и частоты. Это преобразование осуществляется специальными устройствами – автономными инверторами. Автономным инвертор назван потому, что его работа не связана непосредственно с питающей сетью. Автономный инвертор может работать, например, и от аккумуляторной батареи, а не только от сетевого выпрямителя. Несмотря на кажущуюся громоздкость такого метода преобразования, КПД двухзвенных ВПЧ оказывается весьма высоким – 96,5–98,5%. Это обусловлено эффективностью применяемых силовых полупроводниковых приборов в ключевом режиме работы [14].

АСИНХРОННЫЙ ТРЕХФАЗНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

        Полная динамическая модель трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором за симметричного питания, записанная в форме токов, задается уравнениями при u₂ = 0. В этой модели векторы токов статора и ротора заданы в своих физических системах координат статора (а—b) и ротора (dr—qr). Аналог этой модели в системе координат (d—q), что оборачивается с произвольной угловой скоростью w_к. За аналитического исследования динамических процессов в управляемых асинхронных двигателях, особенно во время разработки алгоритмов векторного управления, наиболее распространенной есть динамическая модель, записанная через векторы тока статора и потокосцепления ротора. Эта модель асинхронного двигателя может быть получена в результате преобразований в произвольной синхронной системе координат (d-q) приобретает вид:

        Здесь р_п — число пар полюсов.

        Дополнительные константы, связанные с электрическими параметрами электрической машины, определенные так:

АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ

        Если автономный инвертор получает питание от источника напряжения, т.е. от источника с малым внутренним сопротивлением (аккумуляторная батарея, выпрямитель с ёмкостным фильтром), то на его выходе при переключении силовых полупроводниковых «ключей» может быть получено переменное напряжение в форме последовательности разнополярных прямоугольных импульсов. Первая гармоника такой последовательности должна соответствовать требуемому значению выходного напряжения. В этом случае для нагрузки – асинхронного электродвигателя – инвертор также является источником с малым внутренним сопротивлением, т.е. источником напряжения. Такой инвертор называется автономным инвертором напряжения (АИН) [14].

УПРАВЛЕНИЕ ЧРП

        Как правило, это обычные привода, выполняющие задачу поддержания одного из параметров работы технологической системы в заданных пределах при широком изменении других параметров. Такие привода регулируются с помощью скалярного изменения частоты и амплитуды напряжения питания двигателя по закону U ≈ FN, где N ≤ 1 ("вентиляторная" характеристика) или N > 1 (тяговая характеристика) [13].

4 ПОСТОРЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПЧ

СКАЛЯРНЫЕ УПРАВЛЕНИЯ АД: ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

        В частотно-регулированном электроприводе асинхронный двигатель есть одной из основных звеньев запертой системы автоматического регулирования. Как динамическое звено асинхронное машина очень сложная. В зависимости от требований, которые выдвигаются к САК, будем пользоваться более или менее сложной математической моделью машины, адаптированной к избранной стратегии управления.

        Есть разные формы записи уравнений, которые связывают между собой сменные машины. Ниже будет применяться форма записи с использованием пространственного вектора. Это даст возможность заменить трехфазную систему величин соответствующим пространственным вектором.

        Итак, векторы U_1/1, Ф₁, Ф_о представляют собой соответственно напряжение, ток, магнитный поток статора и воздушного промежутка. Все они имеют угловую частоту w₁ и оборачиваются относительно статора с угловой скоростью w₁ (асинхронная машина сводится к двухполюсноймодели).

        Аналогично в роторе три тока, три магнитные потока, связанные с обмоткой ротора, и три магнитные потока, которые попадаются из воздушного промежутка, изображаются соответственно векторами I₂, Ф₂, Ф_о. Они оборачиваются относительно ротора со скоростью w_s1. Если скорость ротора — w₂, то скорость обращения этих векторов относительно статора — w₁.

        Расчеты с использованием этих векторов можно осуществлять, пользуясь их проекциями на оси недвижимой α—β или подвижной d—q системы координат.

        Уравнение токов и магнитных потоков. Между потоками и токами является такая связь:

        Здесь L₁=L₁ — циклическая индуктивность от потоков рассеяния статора, где — коэффициент полного рассеяния; ₁ и ₂ - коэффициенты рассеяния полей соответственно статора и ротора; L₁ — полная циклическая индуктивность статора; Z₁₂ — циклическая взаимоиндукция; L₂ = ₂ — циклическая индуктивность от потоков рассеяния ротора; L₂ — полная циклическая индуктивность ротора.

        Если из уравнений магнитных потоков изъять Фо, можно найти выражения токов статора и ротора в функции соответствующих потоков:

        Уравнение напряжений. Уравнение напряжений трех фаз, которые получают питание от источника трехфазных напряжений, изображенных вектором U, имеет такой вид:

        Аналогично для круга ротора имеем

        Вообразив пространственный вектор, который оборачивается со скоростью w как Х= Хе^jwt, и продифференцировавши его, получаем

        Электромагнитный момент. Момент является результатом произведения ортогональных составных магнитного потока в воздушном промежутке и токов ротора или статора. Проще его выражать через тока статора, поскольку они доступные для наблюдения (измерение).

        Заметим, что нельзя непосредственно брать векторное произведение Ф_о и I₁, так как он даст новый вектор, который оборачивается с двойной скоростью 2. Поэтому берут совмещенное значение Ф_о' от Ф_о, а для нахождения произведения ортогональных составляющих — мысленную часть скалярного произведения Ф_о и I₁:

        Поток статора Ф₁ является суммой потоков воздушного промежутка Ф_о и рассеяние статора L_1o1' Мысленная часть произведения L_1o1 х I'₁ равняется нулю; итак, можно заменить в формуле момента поток воздушного промежутка потоком статора:

        Введя понятие переходных постоянных времени соответственно статора и ротора:

можем записать систему уравнений, которые описывают поведение асинхронного двигателя в динамике:

        где₂= _{1 s1} — угловая частота, которая отвечает механической скорости ротора; j — момент инерции электропривода.

СТРАТЕГИЯ СКАЛЯРНОГО УПРАВЛЕНИЯ

        Для упроченного режима работы электропривода, когда с первых двух уравнений системы имеем

        Подставив Ф₂ из второго уравнения в первое, получим:

        Учтя то, что

и введя понятие постоянных времени , получаем

        Отсюда находим для модуля напряжения

        Это - базовое выражение, которое определяет основные законы скалярного управления асинхронной машины за ее питание от ПЧ с АИН.
        По всей видимости, магнитный поток машины зависит не только от напряжения питания U₁ частоты тока статора w_1, а и от абсолютного скольжения wо_5/ (частоты тока ротора).
        Если рассмотреть случай работы машины в режиме с малой нагрузкой (малое значение абсолютного скольжение, т.е. частоты тока ротора), то выражение существенно упрощается:

        В конце концов, если презреть сопротивлением статора, т.е. принять T₁=0, то будем иметь U₁=Ф₁₁. Это выражение является известным законом U/f=const, который определяет условие работы асинхронной машины с постоянным магнитным потоком.
        За уменьшение частоты статора и соответственно напряжения питания спад напряжения на активном сопротивлении R₁ становится соизмеримым с напряжением питания, поэтому регулирование по закону U/f=const предопределяет важное послабление магнитного потока. Итак, спад напряжения на опоре обмотки статора должны быть скомпенсирован увеличениям напряжения относительно₁, Ф₁. Эта процедура имеет название IR-компенсации, или коррекции.

5 РАЗРАБОТКА СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ РЕГУЛЯТОРА НАГРУЗКИ

5.1 Разработка структурной и функциональной схемы регулятора нагрузки

        Структурная схема разрабатываемого устройства приведена на рис. 5.1.1 на схеме обозначены: ДТ – датчик тока; ДС – датчик скорости; ВЫП – выпрямитель; МК - микроконтроллер; БС – устройство согласования выходных сигналов микроконтроллера с устройством подачи питания на двигатели комбайна и предохранительной лебедки.

        Рисунок 5.1.1 – Структурная схема регулятора нагрузки

        Схема работает следующим образом: с датчиков тока сигнал поступает на аналоговые дифференциаторы, которые превращают аналоговый сигнал в импульсный, причем частота импульсов зависит от выбора параметров сопротивления и емкости, входящих в состав дифференциаторов. После, сигнал с дифференциаторов, датчиков скорости и задатчика тактов, который является задатчиком скорости попадает на микроконтроллер, где происходит обработка сигналов в соответствии с заложенной в него программной. Затем выходные сигналы микроконтроллера подаются на управляющие механизмы электродвигателями комбайна и предохранительной лебедкой.
        На основании структурной схемы составляем функциональную схему устройства:

        Рисунок 5.1.2 – Функциональная схема регулятора нагрузки

        Данное устройство устройство автоматизации входит в состав системы автоматизации привода добычного комбайна. Взаимосвязь данного устройства с другими элементами системы автоматизации можно увидеть на следующей структурной схеме:

        Рисунок 5.2.3 – Структурная схем системы автоматизации

        Над данной схеме: ПУ – пульт управления; РН – регулятор нагрузки; ЭДл - электродвигатель предохранительной лебедки; ЭДк – электродвигатель комбайна; ДТ – датчики тока; ЧП – частотный преобразователь; ДС – датчики скорости; БИиС – блок индикации и сигнализации.

5.2 Расчет датчиков скорости

        Исходя из того, что на комбайне применяется 3х полюсный электродвигатель, имеем:

        где f – частота питания электродвигателя; р – число пар полюсов.

значит скорость вращения ротора и выходного вала соответственно будет составлять 1000об/мин в идеале. Для расчета примем скорость вращения выходного вала равной 900об/мин, тогда на микроконтроллер от датчика скорости будет поступать 900им/мин, или 15им/сек, а от трех датчиков 45им/сек соответственно при холостом ходе комбайна, что приблизительно соответствует подаче комбайна со скоростью 8м/мин. Соотношение скорости подачи и импульсов поступаемых от датчиков скорости на микроконтроллер имеют прямопропорциональную линейную зависимость. Исходя из данного соотношения скорости и импульсов на задатчике тактов будет формироваться определенное их количество в секунду в зависимости от заданной скорости подачи.

ВЫВОДЫ

        В данной научно-исследовательской работе было разработано устройство регулирования узкозахватного добычного комбайна с встроенной системой подачи. Рассмотрены способы создания частотно управляемого электропривода асинхронного двигателя и представлена математическая модель такого двигателя.
        Для разработки данного устройства в ранее производимых курсовых проектах был составлен алгоритм его работы, подобранна новая элементная база и разработаны принципиальная, функциональная и структурная схемы. Так же с помощью схемы и необходимые элементы были составлены с помощью персонального компьютера с использованием таких программ как Excel, Visio, MathCad, Microsoft Word.
        На основании проведенной работы хочу можно заключить, что частотно-регулируемый электропривод очистного комбайна является альтернативным решением для использования на комбайнах. Он обладает целым рядом преимуществ перед ранее существующими технологическими решениями, такими как меньшая требовательность к условиям труда ( пыльность, влажность, виброустойчивость и др.), обладает лучшими электрическими показателями, большим кпд, отсутствием жидкости в исполнительных механизмах, и ряд других достоинств.
        Также необходимо сказать, что данный вопрос необходим в изучении так как множество преимуществ такого метода регулирования не раскрыты. Необходимо создание более качественных регуляторов скорости подачи комбайна и усовершенствование существующих, предназначенного для работы с частотно-управляемым приводом.

ЛИТЕРАТУРА