|
|
|
Конвейерный транспорт является неотъемлемым технологическим процессом горного предприятия. Его эффективность оказывает значительное влияние на угледобычу всего предприятия в целом. Автоматизация конвейерного транспорта предусматривает повышение эффективности процесса доставки путём снижения затрат на обслуживание и ремонты, а также за счёт уменьшения времени простоя и увеличения производительности. Среди актуальных вопросов, касающихся режимов работы конвейера и эффективной его эксплуатации, лежит вопрос проблематики пуска. Процесс пуска характеризуется наличием переходных процессов как в механической части конструкции, так и в электроприводе. Переходные процессы сопровождаются резкими изменениями различных параметров состояния во времени: механических параметров (усилие в ленте, ее скорость, натяжение), электромагнитных параметров в приводном двигателе (статорный, роторный токи, ЭДС, МДС). При этом значения данных переменных могут меняться в значительной степени, выходя за пределы допустимых или даже критических, что может привести к неэффективной работе или повреждениям и разрушениям всей конструкции в целом. Перегрузка ленты при пуске конвейера может привести к опасному снижению запаса прочности ленты, если прочность ее выбрана без учета характеристик применяемого привода конвейера или его тормозного устройства. Другой задачей анализа переходных процессов является определение такого натяжения контура ленты, которое обеспечило бы пуск и торможение конвейера без пробуксовки ленты на приводных барабанах и потери устойчивости ленты (если привод обеспечивает плавный пуск конвейера, то расчетное усилие натяжного устройства может быть соответственно уменьшено и на конвейере может быть применена лента меньшей продольной прочности).
Целью работы является повышение эффективности эксплуатации электропривода на основе научного обоснования рациональных параметров управления в режиме пуска и установившегося движения и разработки технических средств автоматизации.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать и исследовать математическую модель управления электроприводом ленточного конвейера при варьировании законов формирования диаграммы скорости с учетом допустимого диапазона колебаний нагрузки;
- разработка технического решения косвенного контроля нагрузки ленточного конвейера;
- разработка технических решений автоматического управления частотным асинхронным приводом ленточного конвейера в функции стабилизации нагрузки.
Рассмотрим подробнее пуск конвейера с описанием динамических процессов и выявим слабые стороны, которые снижают эффективность и безопасность его работы в этом режиме. В конвейере с жестким натяжным устройством после приложения к барабану избыточного момента двигателя вдоль верхней ветви распространяется волна, увеличивающая натяжение, а вдоль нижней ветви — волна, ослабляющая начальное натяжение ленты. В случае, когда диаграмма начальных натяжений отличается от диаграммы в установившемся режиме (ξ0 ≠ ξ) - прямые волны движутся по ветвям со скоростями с1, c2 и от движущихся точек фронтов волн со скоростями с'1, с'2 к приводу распространяются отраженные волны, обусловленные переориентацией сил трения,причем знаки этих отраженных волн совпадают со знаками прямых.
Достигнув границы груженого и порожнего участков ленты, каждая прямая волна частично отражается. При переходе волны с груженого участка на порожний отраженная волна имеет обратный знак по отношению к прямой волне, и коэффициент отражения определяется выражением
где 
При переходе волны с порожнего участка на груженый знаки прямой и отраженной волн совпадают, и коэффициент отражения равен
где 
Пройдя границу участков с разной плотностью, прямая волна изменяет свою амплитуду в (l + kот) раз, т. е. при переходе с груженого участка на порожний, ее амплитуда уменьшается, а при переходе с порожнего участка на груженый — увеличивается.
После встречи прямых волн в момент времени τ1 вся лента вовлечена в движение; дальнейшее возникновение отраженных волн, обусловленных переориентацией сил трения, прекратится, но последние элементы этих волн продолжают распространяться к приводу, и их влияние на натяжение ленты у привода прекратится только тогда, когда фронты прямых волн, двигающихся после их встречи со скоростями с1, с2, обойдут весь контур ленты. Затем прямые волны отражаются от привода, причем знаки отраженных волн соответствуют знакам прямых волн. Дальнейшее распространение волн вызовет колебательный процесс в каждом сечении ленты, и, если интенсивность возмущающего усилия привода не увеличивается, то амплитуды будут затухать вследствие внутреннего трения в системе. В конвейере с прямолинейным профилем трассы экстремальные значения динамических натяжений имеют место у привода.
Рисунок 1.1 - Схема действующих на ленту сил.
В соответствии с расчетной схемой (рис. 1.1) на вовлеченных в движение прямыми волнами участках ленты верхней ветви получим:
(1.3)
и участках нижней ветви:
(1.4)
Начальные натяжения ленты зависят от заключительной фазы режима предшествующего торможения и угла наклона конвейера.
При постоянных угле наклона конвейера и значении ξ0 начальное натяжение на верхней ветви конвейера:
(1.5)
на нижней ветви конвейера:
(1.6)
После подстановки производных от начальных натяжений в (1.3), (1.4) получим:
(1.7)
(1.8)
На движущихся участках ленты вблизи привода для t < τ2 динамические натяжения формируются прямыми волнами и отраженными волнами сил трения. Так как знаки и скорости распространения этих волн внутри участков совпадают, то справедливо соотношение:
(1.9)
Учитывая которое, получим - для точек набегания и сбегания с приводного барабана
(1.10)
(1.11)
После интегрирования получим решения данных уравнений:
(1.12)
(1.13)
Скорость приведенной массы привода определяется из уравнения движения привода:
(1.14)
После решения данного уравнения получим величину максимального натяжения:
(1.15)
На рис. 1.2 показаны графики распределения динамических усилий по длине ленты в различные моменты времени.
Рисунок 1.2 - Распределение динамических натяжений по контуру ленты при пуске конвейера с жестким натяжным устройством в моменты времени:
а)
t < τ1; б)
;
в)
; г)
Для реализации такого режима эффективного пуска необходимо применение технических устройств, обеспечивающих плавное нарастание момента двигателя в течение времени τ3 до значения, соответствующего троганию ленты, после чего производится перевод двигателя в номинальный режим работы. Моделирование процессов в ленте конвейера при пуске позволит определить рациональное значения времени разгона привода, обеспечивая максимально быстрый пуск при минимальных динамических усилиях в ленте. Данное устройство будет построено на основе преобразователя частоты, т. е. регулирование скорости вращения будет производиться частотным методом.
II. Обзорная информация.
Для изменения частоты вращения входного вала приводного двигателя конвейера, а тем самым и скорости движения его ленты, имеются следующие две принципиальные возможности:
1. При постоянной частоте вращения вала двигателя можно изменять передаточное число i механической части, представляющее собой отношение частот вращения валов двигателя и барабана конвейера: i = n/nб. Этот способ регулирования, часто называемый механическим, может быть реализован с помощью таких механических устройств, как вариаторы, коробки скоростей и пр.
2. При неизменном передаточном числе i механической части привода можно изменять частоту вращения вала двигателя. Этот способ получил название электрического способа регулирования.
Технико-экономическое сопоставление обоих способов
обнаруживает большие преимущества второго способа, поскольку он более экономичен,
обеспечивает большой диапазон и плавность регулирования, позволяет просто автоматизировать
производственные процессы.
Электрическое регулирование частоты вращения - это
принудительное, сознательное изменение частоты вращения электродвигателя в соответствии
с требованиями производственного процесса, путем получения нужных искусственных
механических характеристик.
1. Реостатное регулирование.
Одним из наиболее простых способов регулирования
частоты вращения асинхронных двигателей является реостатное регулирование, т.е.
регулирование введением дополнительных активных сопротивлений в цепи обмоток
двигателей. Принципиально реостатное регулирование может быть осуществлено путем
введения активного сопротивления в статорные или роторные цепи.
При введении в роторную цепь асинхронного двигателя дополнительного активного
сопротивления величина критического скольжения sкр увеличивается, а механические
характеристики деформируются, изменяются:
(2.1)
Плавность регулирования при реостатном регулировании обычно небольшая. Чаще
всего для регулирования используются ящики сопротивлений ЯСВ, с помощью которых
осуществляется ступенчатое регулирование. Иногда для реостатного регулирования
применяются жидкостные реостаты ВЖР, которые принципиально позволяют получить
плавное регулирование, но имеющие низкую надежность.
При эксплуатации системы с реостатным управлением велики энергетические затраты,
поскольку при реостатном регулировании потери энергии значительны. Электрические
потери в роторной цепи, называемые «потерями скольжения», равны:
(2.2)
Чем больше величина скольжения s, тем больше потери в роторной цепи, Реостатное регулирование частоты вращения асинхронных двигателей при большом диапазоне регулирования связано с большими потерями. При реостатном регулировании возможно осуществлять изменение частоты вращения двигателя только вниз от основной частоты вращения, что также является недостатком данного способа регулирования.
2. Регулирование величины напряжения, питающего статорные обмотки.
Данный способ регулирования осуществляется с помощью тиристорного регулятора переменного напряжения ТРН, включенного в цепь статора (рис. 2.1):
Рисунок 2.1 – Схема управления асинхронным двигателем с тиристорным регулятором напряжения
Критическое скольжение не зависит от напряжения, поэтому оно при изменении Uф остается неизменным. Критический момент пропорционален квадрату напряжения и при уменьшении также уменьшается.
Рисунок 2.2 – Механические характеристики АД при регулировании изменением напряжения питающего статор.
Из графиков рис. 2.2 следует, что при постоянном моменте нагрузки Мс,
частота вращения двигателя изменяется в небольших пределах между точками 1 и
3. Принцип действия регуляторов напряжения состоит в периодической коммутации
с частотой fк силового ключа, находящихся между источником переменного
напряжения частоты fс и нагрузкой.
Трехфазные схемы регуляторов напряжения с фазовым регулированием и естественной
коммутацией на основной частоте нашли широкое применение в асинхронном электроприводе,
где они используются для управления пуском двигателей с к. з. ротором. Длительная
работа двигателя, при питании от данного ИРПН, сопряжена со снижением энергетических
показателей привода, увеличением потерь, вследствие невысокого качества выходного
напряжения. В настоящее время регулирование частоты вращения двигателя путем изменения
величины питающего статор напряжения широко используется на практике для пуска
ленточных конвейеров. В качестве примера приведем принцип работы и устройство
аппарата АПМ – осуществляющего управление пуском электропривода горных машин.
Аппарат АПМ предназначен для плавного программного пуска серийных и разрабатываемых
однодвигательных ленточных конвейеров и канатно-кресельных дорог, а также плавного
динамического торможения электропривода ленточного конвейера после его отключения.
Основой аппарата является трехфазный тиристорный регулятор (рис. 2.3), состоящий
из шести однооперационных тиристоров. Седьмой тиристор обеспечивает работу приводного
АД в режиме динамического торможения. Тиристоры размещены на внутренней поверхности
крышки взрывонепроницаемой оболочки, обеспечивающей отвод тепла во внешнюю среду.
Рисунок 2.3 – Функциональная схема аппарата управления АПМ.
На принципе регулирования величины напряжения статора построены системы плавного
пуска «Soft start», выпускаемые различными производителями, в частности
концерном ABB. При использовании системы плавного пуска, стартовый крутящий
момент может быть уменьшен до минимального значения, способного запустить ленту
конвейера. Параметры настройки системы плавного пуска позволяют настроить крутящий
момент так, чтобы он точно соответствовал значению, необходимому для пуска конвейера.
В результате минимизируется нагрузка на редукторы и соединения и предотвращается
проскальзывание ленты в процессе пуска, что минимизирует эксплуатационные расходы.
Остановимся кратко на основных показателях регулирования данных
систем электропривода. Диапазон регулирования частоты вращения
при использовании обратных связей, например обратной связи по частоте вращения,
относительно высок и достигает значения 10:1. При использовании обратных связей
могут быть получены жесткие характеристики. Экономичность регулирования зависит
от конкретных условий работы электропривода. В частности, если время работы
на пониженной частоте вращения невелико по сравнению со временем цикла, то экономичность
может быть высокой. Регулирование частоты вращения может производиться только вниз от естественной
(основной) характеристики.
Существенным недостатком данного способа регулирования является повышенный
нагрев двигателя, вследствие увеличенного тока ротора I2 и электрических
потерь в нем ΔPэл2 (двигатель находится на одной из регулировочных
характеристик):
(2.3)
Это накладывает ограничение на количество пусков в заданный интервал времени.
3. Частотное регулирование.
Частотный способ является одним из наиболее перспективных и широко используемых в настоящее время способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей. Принцип его заключается в том, что, изменяя частоту f питающего двигатель напряжения, можно изменять его частоту вращения холостого хода ω0, получая тем самым различные искусственные характеристики:
(2.4)
где p – число пар полюсов двигателя
Упрощенная блок-схема частотного регулируемого электропривода показана на рис. 2.4.
Рисунок 2.4 – Блок-схема частотного асинхронного электропривода
Необходимым элементом привода является преобразователь частоты (и напряжения),
на вход которого подается стандартное напряжение
сети Uc стандартной промышленной частоты fc, а с его выхода
снимается переменное напряжение Uрег
регулируемой частоты fрег, величины которых находятся между собой
в определенном соотношении, определяемом видом нагрузки Мс. Регулирование
выходной частоты и напряжения преобразователя осуществляется с помощью управляющего
сигнала, изменение которого определяет в конечном итоге изменение частоты вращения
асинхронного двигателя.
Этот способ обеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне, получаемые
характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается
и еще одним весьма важным свойством: при регулировании частоты вращения асинхронного
двигателя не происходит увеличения его скольжения, как это имеет место, например,
при реостатном регулировании. Поэтому при этом способе регулирования потери
скольжения оказываются небольшими, в связи с чем частотный способ оказывается
весьма экономичным. Как правило, для лучшего использования электродвигателя
и получения высоких энергетических, показателей его работы (коэффициентов мощности
и полезного действия, перегрузочной способности) одновременно с изменением частоты
питающего напряжения необходимо изменять и значение этого напряжения. Закон
изменения напряжения при этом зависит от характера момента нагрузки.
Остановимся на общих показателях частотного способа регулирования асинхронных
электродвигателей и возможных областях его применения. Частотное регулирование
является весьма экономичным, так как регулирование частоты вращения двигателя
в этой системе не сопровождается выделением больших потерь скольжения в роторной
цепи, ухудшающих к. п. д. электропривода и приводящих к необходимости завышения
мощности двигателя. Регулирование частоты вращения в этой системе может осуществляться плавно,
в широком диапазоне, в обе стороны от естественной характеристики, т. е. двигатель
может иметь частоту вращения, большую номинальной. При этом регулировочные характеристики
имеют необходимую жесткость, а двигатель сохраняет высокую перегрузочную способность.
Развитие полупроводниковой силовой электроники позволяет реализовать необходимый
ПЧ с минимальными материальными затратами.
III. Заключительная информация.
Для автоматизированного управления приводом ленточного конвейера необходимо
разработать систему автоматизации, позволяющую реализовать заданный алгоритм
пуска как отдельного ленточного конвейера, так и системы конвейеров, связанных
в единую транспортную линию.
Необходимо также предусмотреть возможность регулирования производительности
конвейерной линии с целью обеспечения эффективного режима ее работы, как по
техническим, так и экономическим показателям.
Таким образом, разрабатываемая система должна выполнять следующие функции:
- запуск конвейерной линии в заданной последовательности против движения грузопотока;
- плавный запуск каждого конвейера, входящего в систему;
- пуск части конвейерной линии;
- пуск отдельного конвейера для ремонтно-наладочных работ;
- возможность дозапуска части конвейерной линии при остальных работающих конвейерах;
- автоматический контроль скорости движения ленты конвейера;
- включение на пуск каждого последующего конвейера только после достижения предыдущим конвейером заданной скорости;
- отключение конвейера при сходе ленты;
- отключение конвейера при превышении скорости уставки верхнего уровня, либо при снижении ниже установленного уровня;
- отключение конвейера при отсутствии на нем груза;
- отключение конвейера при перегрузке;
- одновременное автоматическое отключение всех конвейеров, транспортирующих груз на остановившийся конвейер;
- автоматическое регулирование производительности линии – снижение скорости при недогрузке и увеличение (вплоть до номинальной скорости приводного двигателя) при превышении уставки нагрузки;
- блокировку включения перегруженного или заштыбованного конвейера;
- блокировка включения конвейера с сошедшей лентой;
- диагностика состояния линии связи;
- диагностика работоспособности блоков управления;
- мониторинг количества работающих и не работающих конвейеров в линии;
- сигнализация об аварийном режиме;
- мониторинг номера остановленного конвейера и причины останова;
- учет производительности линии;
- передача информации о состоянии конвейерной линии на поверхность диспетчеру.
Структурная схема системы автоматизации, которую планируется разработать, представлена на рис. 3.1
Рисунок 3.1 – Структурная схема системы автоматизации
(количество кадров - 27, количество повторов - 5, задержка между кадрами 0,5 с)
На рис. 3.1 показана транспортная сеть, состоящая из трех конвейеров (для
упрощения рисунка)1,2,3. Максимальное число конвейеров ограничено нагрузочной
способностью драйверов RS485, обозначенных на схеме как ретрансляторы Р1 и Р2.Система
состоит из преобразователей частоты ПЧ, подключенных к приводному асинхронному
двигателю с короткозамкнутым ротором – Д; блоков управления преобразователем
частоты БУ; пульта управления ПУ, который осуществляет функции сбора, обработки
информации и выдачи управляющих команд на БУ, а также передачи информации на
поверхность.
Информация с датчика скорости ДС и конвейерных весов КВ поступает в
блок управления БУ, где происходит ее обработка (сравнение с уставкой, задаваемой
ПУ) и выдача управляющего (аналогового) сигнала на ПЧ. Блок БУ также обеспечивает
плавный пуск двигателя конвейера.
Пульт управления ПУ осуществляет управление пуском конвейерной линии, производит
управление скоростью всей линии в зависимости от нагрузки, осуществляет останов
линии или ее части в аварийных режимах и по причине незагруженности, передает
информацию о состоянии линии диспетчеру на поверхность.
Обмен данными между ПУ и БУ производится по интерфейсу RS485, позволяющему
создавать сети большой протяженности и большим количеством приемо-передатчиков
в одной линии без ретрансляторов (до 256). БУ передает данные о состоянии параметров
отдельного конвейера, на основании которых ПУ осуществляет согласованное управление
всей конвейерной линией.
Структурная схема автоматизации отдельного конвейера
представлена на рис. 2.2. Заданный алгоритм пуска обеспечивается системой управления
блока БУ, управляющий выходной сигнал которого осуществляет задание параметров
ШИМ-модулятора преобразователя частоты ПЧ.
Рисунок 3.2 – Схема автоматизации отдельного конвейера.
Объектом регулирования в САР является конвейер А, представленный двумя звеньями: приводом конвейера ПК, вход которого— частота вращения вала двигателя wд, а выход — скорость ленты на приводных барабанах vn, и тяговым органом ТО, вход которого — скорость vn, а выход — скорость ленты у места загрузки v3.
Сигналы с датчиков скорости и веса Uс и Uв поступают в блок управления БУ,
где в соответствии с заданием осуществляется выработка управляющего напряжения
U, которое вводится в систему ПЧ и происходит изменение скорости приводного
двигателя и ленты.
В ходе дальнейшей работы планируется получить адекватную модель ленточного
конвейера и его привода с целью определения рациональной диаграммы старта конвейера
- осуществление пуска с минимальной продолжительностью во времени и минимальными
динамическими усилиями как в ленте, так и в приводе.
ВЫВОДЫ.
В ходе работы получены следующие результаты. Установлено, что наиболее критичным
режимом, влияющим на эффективность его работы, является процесс пуска. Результаты
математического анализа процесса жесткого пуска привели к выводу о необходимости
снижения динамических усилий в ленте путем управляющего воздействия на привод.
Произведен обзор технический решений в области управления приводом конвейера
и параметром скорости в частности. Сопоставление различных способов регулирования
и их показателей качества позволило сделать вывод о возможности варьирования
параметром скорости методами частотного управления.
Осуществлена техническая реализация системы автоматизации конвейерных линий,
позволяющая повысить эффективность работы конвейерного транспорта и снизить
затраты (эксплуатационные и энергетические) на процесс подземного транспорта
угля.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Спиваковский А. О. Теория ленточных конвейеров, - М, 1982 г.
2. Шахмейстер Л. Г. Теория и расчет ленточных конвейеров, - М, 1987 г.
3. Запенин И.В. Моделирование переходных процессов ленточных конвейеров. М.:Недра, 1969 г.
4. Толпежников Л.И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников,-М: Недра, 1985 г.
5. Маренич К. Н. Асинхронный электропривод горной машины: корректировка пусковых параметров. – Сборник трудов горно-электромеханического факультета, Д, 1996 г
6. Массандилов Л. Б. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей, М.: «Энергия», 1978 г.
7. Чиликин М. Г., Сандлер А. С. Общий курс электропривода, -М, 1981 г.
8. Технические средства автоматизации в горной промышленности/ В.И. Груба, Э. К. Никулин, А. С. Оголобченко.- К.:ИСМО, 1998.
9. Малиновский А. К. , Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников. – М., Недра, 1987.
10. Ключев В. И. Ограничение динамических нагрузок электропривода, М., "Энергия", 1971 г.
11. Ключев В. И., Теория электропривода. – М. – Л.: Энергоиздат, 1985. – 286с.
12. Автоматизация подземных горных работ/ Под ред. проф. А. А. Иванова.- К.:Вища школа, 1987. – 328 с.
13. Справочник по автоматизации шахтного конвейерного транспорта /Н.И.Стадник, В.Г. Ильюшенко, С.И. Егоров и др.-К.: Техніка, 1992.
14. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1992.
15. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. М.: Энергоатомиздат, 1983.16. Автоматизированные электроприводы с широтно-импульсными преобразователями. / М.Е. Гольц и др. - М.: Энергоатомиздат, 1972 - 112с
17. Бедфорт Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов, перевод с англ. / под ред. И. В. Антика. М., "Энергия" 1969 г.
18. Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1974.
19. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999 г.
20. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. - Екатеринбург УРО РАН, 2000 г.
21. Справочник по электрическим машинам/ под ред. И. П. Копылова, М.: "Энергоатомиздат", 1988 г.
22. Хализев Г.П. Электропривод и основы управления. – М.: Высшая школа, 1977.
23. Колпаков А. И. В лабиринтах силовой электроники, СПб.: "Издательство Буковского", 2000. - 96 с.
24. Семенов Б. Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 416 с.
25. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296 с.
26. Keith H. Sueker Power Electronics Design: A practitioner's Guide, © 2005, SciTech Publishing Inc.
27. Rashid M. Power Electronics Handbook, © 2001, AcademicPress.
28. Brown M, Motorolla Semiconductor, Practical Switching Power Supply Design, © 1990, AcademicPress.
29. Abraham I. Pressman, Switching Power Supply Design, McGraw-Hill, 1995.
30. Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника, М. - 2002.
31. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 3-х томах: Пер с англ.- М.: "Мир", 1993
32. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы: Учеб. пособие/В.В. Солодовников, В. Г. Коньков, В. А. Суханов, О. В. Шевяков; Под ред. В. В. Солодовникова. - М.: Высш. шк., 1991. - 255 с.
33. Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто!: в 3-х томах. - М.: ООО "ИД СКИМЕН", 2002.
34. Зимин Е.Н., Яковлев В.И. Автоматическое управление электроприводами. М.: Высшая школа, 1979.
