Назад в библиотеку

---

Исследование динамических характеристик системы автоматического регулирования производительностью шахтных вентиляторов

Авторы: Турута А.Н., Гавриленко Б.В.
Источник: Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць XII науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 18–20 травня 2012 р. – Донецьк, ДонНТУ, 2012. – с. 155–159.

Аннотация

Турута А.Н., Гавриленко Б.В. Исследование динамических характеристик системы автоматического регулирования производительностью шахтных вентиляторов. Рассмотрены передаточные функции основных составляющих общего процесса проветривания в шахте. Исследованы и промоделированы в пакете Micro-CAP переходные процессы в системе автоматического регулирования шахтной вентиляторной установкой при применении различных типов регуляторов.

Текст статьи

Прекращение проветривания приводит к остановке всего технологического комплекса шахты или рудника, к выводу людей на поверхность, прекращению работы всех машин и механизмов. От надежной, безотказной работы системы проветривания полностью зависит безопасность шахтного персонала.

В настоящее время одной из актуальных задач является повышение эффективности работы вентиляторных установок за счет разработки системы автоматического регулирования производительностью шахтных вентиляторов.

Анализ [1] показал, что производительность вентиляторной установки зависит от скорости вращения приводного двигателя, поворота закрылков лопаток рабочего колеса, поворота лопаток направляющего аппарата, применения поворотных заслонок, жалюзийных решеток, штор и задвижек.

Схема модели процесса проветривания в шахте представлена на рисунке 1.

где Wпр – передаточная функция тиристорного преобразователя частоты; Wд – передаточная функция двигателя; Wв – передаточная функция вентилятора.

Передаточная функция тиристорного преобразователя по управляющему воздействию имеет вид:

где k_тпч – статический коэффициент усиления преобразователя; T_у = 0,006 ÷ 0,008 – постоянная времени системы импульсно-фазового управления;

Передаточная функция вентильного преобразователя имеет вид апериодического звена 1-ого порядка:

где T_тпч  = T_у + 1 / 2mf – постоянная времени преобразователя. Для полупроводниковых СИФУ T_тпч ≈ 0,01с [2]. Примем k_тпч = 1.

В качестве приводного двигателя для вентиляторной установки принимаем асинхронный двигатель типа ЭДКОФ53/4. Представим передаточную функцию асинхронного двигателя через электромагнитную и механическую составляющие [3].

Передаточная функция электромагнитной составляющей двигателя имеет вид:

где К_дв – коэффициент передачи двигателя, T_э = L₂^" / R₂^' – постоянная времени электромагнитной составляющей двигателя; L₂^" = L₂^' – L_m² / L₁ – эквивалентная приведенная индуктивность обмотки ротора; L₂^' = 0,022 Гн – полная эквивалентная индуктивность фазы ротора; L₁ = 0,022 Гн – полная эквивалентная индуктивность фазы статора; L_m = 0,0205 Гн – индуктивность главного полюса; R₂^' = 0,017 Ом – приведенное активное сопротивление ротора [4].

Передаточная функция механической составляющей двигателя имеет вид:

где T_м  = JΩ₀  / M_п.ф. – механическая постоянная времени двигателя, J – момент инерции двигателя; Ω₀ – синхронная угловая скорость двигателя; M_п.ф. = 2M_кр / S_кр – фиктивное значение пускового момента; M_кр = k ∙ M_ном – критический момент двигателя; k = 3,5 – перегрузочная способность двигателя, M_ном = P_ном ∙ 9550 / n₂ – номинальный момент двигателя; P_ном = 110 кВт – номинальная мощность двигателя; n₂ = 1771 об/мин – частота вращения ротора; S_кр = S_ном ∙ (k + √(k² – 1)) – критическое скольжение двигателя; Sном = 0,016 – номинальное скольжение двигателя.

Передаточная функция вентиляторной установки имеет вид:

где k = 30.

Постоянная времени вентилятора типа установка ВЦД-32:

где L_a = 2461,12 нс²/м⁵ – акустическая масса участка выработки; l = 500 м – длина участка выработки; R = 56,4 ∙ 10³ нс²/м⁸ – аэродинамическое сопротивление сети; Q_в = 5,1 м³/с – производительность вентилятора; R_в = 56,4 ∙ 10³ нс²/м⁵ – внутреннее сопротивление вентилятора.

Передаточная функция вентилятора в числовом выражении имеет вид:

График переходного процесса общего процесса проветривания в шахте представлен на рисунке 2.

Анализ рисунка 2 показал, что величина перерегулирования составляет 42,3 %, время переходного процесса – t_р = 0,947 c; время нарастания – t_н = 0,13 c.

На рисунке 3 представлена структурная схема модели системы автоматического регулирования (САР) производительностью вентиляторной установки.

На рисунке 3 приняты следующие обозначения: где W_рп(р) – передаточная функция регулятора производительности вентилятора; W_дп(р) – передаточная функция датчика производительности, W_эд(р) и W_мд(р) – передаточные функции соответственно электромагнитной и механической составляющих двигателя; W_ву(р) – передаточная функция вентиляторной установки; W_пр(р) – передаточная функция тиристорного преобразователя частоты.

САР вентиляторной установки работает следующим образом: напряжение U_ф, соответствующее фактической производительности вентилятора сравнивается с уставкой U_з, и разность этих напряжений является заданием для регулятора. Затем регулятор вырабатывает сигнал управления и через тиристорный преобразователь частоты воздействует на двигатель. Таким образом, применение регулятора позволит оптимизировать режимы работы вентилятора [5].

Передаточная функция И-регулятора:

где

К_об = 2,54 ∙ 30 = 76,2 – передаточный коэффициент автоматизируемой системы.

Передаточная функция ПИ-регулятора:

где Т_И = Т₁ = 4 с – наибольшая постоянная времени системы;

Передаточная функция ПИД-регулятора:

где Т_И = Т₁ = 4 с – наибольшая постоянная времени системы; Т_Д = Т₂ = 0,07 с – постоянная времени следующая по величине после Т_И;

Результаты моделирования САР вентиляторной установки в пакете программы Micro-CAP представлены на рисунках 4, 5, 6 соответственно.

В таблице 1 показан сравнительный анализ динамических характеристик САР вентиляторной установки с применением различного вида регуляторов.

Таблица 1 – Сравнительный анализ динамических характеристик САР вентиляторной установки

	И-регулятор	ПИ-регулятор	ПИД-регулятор
Величина перерегулирования σ, %	5,5	3,9	2
Время переходного процесса tп, с	34,1	0,704	0,268
Время нарастания tн, с	16,4	0,383	0,12

Анализ динамических характеристик доказывает, что наилучшие показатели переходного процесса достигаются с применением ПИД-регулятора, так как время переходного процесса t_п = 0,947 c в нерегулируемой системе уменьшается до величины t_п = 0,268 c, а перерегулирование с σ = 42,3 % – до величины σ = 2 %.

Таким образом, применение ПИД-регулятора в САР процесса проветривания в шахте обеспечивает эффективное регулирование производительностью вентиляторной установки главного проветривания при отклонении режимов работы от нормального режима, а также гарантирует стабилизацию режимов работы вентилятора, предотвращает перебои в проветривании, обеспечивает нормальные и безопасные условия труда.

Список использованной литературы

1. Батицкий В.А., Лупоедов В.И., Рыжков А.А. Автоматизация производственных процессов и АСУТП в горной промышленности М.: Недра, 1991. – 303 с.
2. Автоматизация процессов подземных горных работ под ред. проф. А.А. Иванова, – Донецк: Главное изд-во, 1987. – 328 с.
3. Гаврилов П.Д., Гимельшейн Л.Я., Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов. – М.: Недра, 1985. – 215 с.
4. Груба В.И, Никулин Э.К., Оголобченко А.С. – Технические средства автоматизации в горной промышленности – К.: ИСМО, 1998. – 373 с.
5. Толпежников Л.И., «Автоматическое управление процессами шахт и рудников».Учебник для вузов., 2-е изд., перераб. и доп., М: Недра,1985. – 352 с.