ДонНТУ   Портал магистров

Головатый Максим Владимирович

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра горной электротехники и автоматики им. Р.М. Лейбова

Специальность «Автоматизированное управление технологическими процессами»

Обоснование параметров и структуры средства автоматизации пуска скребкового конвейера на основе применения квазичастотного преобразователя

Научный руководитель: к.т.н., доцент Маренич Константин Николаевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Скребковый конвейер как объект исследований
• 4. Результаты исследований
• 4.1 Технические возможности квазичастотного режима
• 4.2 Обоснование алгоритма переключения асинхронного двигателя с квазичастотного режима на номинальный
• 4.3 Обоснование принципа моделирования процессов в системе «квазичастотный преобразователь – асинхронный двигатель»
• Выводы
• Список источников

Введение

Скребковые конвейеры (СК) являются главными транспортными устройствами для перемещения горной массы из забоя и от их надежности работы зависит производительность всей шахты. В тоже время эксплуатация конвейера характеризуется наличием повышенных моментов сопротивления. В ряде случаев имеют место несостоявшиеся пуски, вызванные заштыбовкой тягового органа. Применение гидромуфты не позволяет решить задачу автоматической расштыбовки и защиты электропривода от заштыбовки, поэтому научную и практическую актуальность представляет задача поиска и обоснования альтернативных способов управления пусковыми режимами электропривода СК в условиях повышенных моментов сопротивления.

1. Актуальность темы

Эксплуатация шахтного СК отличается интенсивным разгоном тягового органа при пуске, что создает опасность травматизма для обслуживающего персонала в стесненном пространстве очистного забоя. Кроме этого, в процессе эксплуатации имеют место пуски груженого СК, что сопряжено с необходимостью преодоления повышенных моментов сопротивления. Исследованиями [1] доказано, что момент сопротивления при трогании скребкового конвейера в 1,6-1,8 раз превышает величину момента сопротивления в процессе движения (рис. 1) [1].

На сегодняшний день для обеспечения плавности пуска конвейера в его электроприводе предусмотрена гидромуфта. Однако ее пуско-защитные функции реализуются не в полной мере. Механическая характеристика гидромуфты позволяет осуществить разгон при малой нагрузке асинхронного двигателя (АД), однако создает условия для резкого наброса вращающего момента на трансмиссию при достижении двигателем номинальной скорости. Высокий момент инерции гидромуфты приводит к увеличению растягивающих усилий тягового органа при стопорении, что способствует порыву цепи [2].

Указанные обстоятельства обусловливают необходимость поиска новых технических решений в области управления пусковыми режимами привода. В перспективном электроприводе уровень ступени пусковой скорости должен быть соразмерным со скоростью перемещения человека в условиях очистного забоя и не превышать 0,2-0,3 м/с [2]. Исходя из перечисленных требований, пуск СК возможно осуществить путем управления частотой вращения ротора АД. Анализ известных способов частотного регулирования дает основания полагать, что наиболее приемлемым для данных условий является способ квазичастотного управления АД, при котором за счет программного переключения групп тиристоров силового коммутатора на его выходе формируется трехфазное напряжение фиксированной пониженной частоты.

2. Цель и задачи исследования

Целью исследования является повышение эффективности эксплуатации шахтного СК на основе научного обоснования параметров и структуры устройства квазичастотного управления электроприводом с функцией автоматического перевода двигателя на естественную механическую характеристику.

Основными задачами исследования являются:

1. Аналитический обзор исследований и разработок в области управления пуском асинхронного электропривода шахтного СК.
2. Разработка математической и компьютерной модели системы «квазичастотный преобразователь – асинхронный двигатель», исследование и анализ процессов в ней.
3. Разработка технического решения по автоматизации пуска СК.
4. Обоснование требований по безопасной эксплуатации разработанного средства автоматизации.

3. Скребковый конвейер как объект исследований

СК представляет собой средство транспорта непрерывного действия, тяговым органом которого является бесконечная цепь (одна, две или три) с закрепленными на ней скребками. При движении цепи скребки захватывают транспортируемый материал и перемещают его по желобу в направлении движения цепи. Устройство СК приведено на рисунке 2.

СК может иметь один или два электропривода 1 на одном или обоих концах рештачного става 2. Каждый его привод содержит от одного до двух приводных блоков 3. В состав приводного блока входят соединенные последовательно АД с короткозамкнутым ротором 4, гидромуфта 5 и редуктор 6. Основным назначением гидромуфты является обеспечение плавности пуска электропривода конвейера, а также защита скребковой цепи 7 от порыва при стопорении [3].

4. Результаты исследований

4.1 Технические возможности квазичастотного режима

Квазичастотный режим электропитания АД обеспечивает устойчивую пониженную частоту вращения ротора и может использоваться для реализации ступени пониженной скорости привода при пуске. Последующий разгон до номинальной частоты вращения ротора АД предполагает переключение частот питающего напряжения с пониженной на номинальную.

Формирование квазисинусоидального напряжения осуществляется посредством модуляции напряжения сети частоты fc сигналом пониженной частоты fm, за счет переключения групп тиристоров силового тиристорного коммутатора по заданному закону.

На рисунке 3 приведены механические характеристики АД при квазичастотном режиме с учетом ЭДС вращения ротора (частота питания АД 10 Гц).

Результирующая механическая характеристика 1 АД является суммой статических характеристик, определяемых первой, пятой, седьмой и т.д. гармониками напряжений (кривые 2, 3, 5). Сопоставляя результирующую 1 и естественную 5 механические характеристики АД можно судить о том, что при квазичастотном управлении синхронная частота вращения ротора соответствует моделирующей частоте напряжения, при этом момент АД при пуске может быть значительно увеличен [4].

Таким образом, квазичастотный режим электропитания АД обеспечивает:

• повышенный электромагнитный момент;
• устойчивую пониженную частоту вращения ротора и может использоваться для реализации ступени пониженной скорости привода при пуске;
• возможность реверса без контакторной коммутации.

4.2 Обоснование алгоритма переключения АД с квазичастотного режима на номинальный

Ступенчатое переключение АД с квазичастотного режима на номинальный сопряжено с эффектом рывка, так как имеет место снижение скорости АД, вызванное несовпадением векторов потокосцеплений [5].

Задачу подавления ударных моментов в АД при его разгоне путем дискретного повышения частот питающего напряжения можно решить в разомкнутых системах управления полупроводниковыми преобразователями за счет программного изменения во времени управляющих воздействий, подаваемых на вход преобразователя, и обеспечения фазонаправленного включения последующего режима. При равенстве по модулю и совпадении по фазе векторов начальных и установившихся потокосцеплений статора (ротора) величина переходного момента АД равна нулю [5]. Данное условие может быть выполнено при плавном изменении частоты подводимого к АД напряжения. Для обеспечения двигательного момента АД соотношение частот сетевого и квазисинусоидального напряжения составляет (3n ± 1), где n – число натурального ряда. При этом, соотношение fc / fm = (6n ± 1) позволяет достичь полной симметрии форм квазисинусоидальных напряжений в фазах и полуволнах [6]. Очевидно, что разгон АД целесообразно производить с фиксированной частоты fm = 50 / 7 = 7,14 Гц.

Задача реализации управляемого разгона АД должна решаться путем дискретного повышения частоты квазичастотного напряжения исходя из принципа совпадения по фазе векторов токов, напряжений, потокосцеплений, соответствующих моменту окончания предшествующего и моменту начала последующего режима электропитания АД.

Учитывая, что трехфазная система квазичастотных напряжений может быть достигнута как при fc / fm = (6n ± 1), так и при fc / fm = (3n ± 1) уместно предположить, что первым этапом управляемого разгона двигателя должен стать перевод его с частоты 7,14 Гц на 12,5 Гц, сопровождаемый повышением частоты переключения групп тиристорных ключей. Учитывая, что открытое состояние тиристоров в каждой группе по своей продолжительности будет противоречить продолжительности включенного состояния групп тиристоров при fc /  fm = (3n±1), в данном случае рационально устранить четные либо нечетные интервалы включения групп тиристоров из совокупности соответствующей fc / fm = (6n ± 1). Подобный же подход уместен и для последующего промежуточного интервала адаптации пространственного положения векторов потокосцепления двигателя с режимом электропитания номинальным напряжением. В данном случае уместно увеличить частоту напряжения до 16,67 Гц (fc / fm = 3n) полагая, что соответственно будет увеличена частота переключения тиристорных ключей, а периодическая форма напряжений в фазах тиристорного регулятора будет обеспечена чередованием включенных состояний и пауз между ними. Диаграмма последовательности включения тиристоров для формирования частот 7,14 Гц, 12,5 Гц и 16,67 Гц приведена в таблице 1 [7].

Таблица 1 – Диаграмма последовательности включения тиристоров

Частоты	Интервалы коммутации	Включенные тиристоры
		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 образом, разгон привода осуществляется путём подачи на АД напряжений последовательности частот: fc / fm = 7; fc / fm = 4; fc / fm = 3; fc / fm = 1 (рис. 4).

4.3 Обоснование принципа моделирования процессов в системе «квазичастотный преобразователь – асинхронный двигатель»

Для исследования процессов в системе «квазичастотный преобразователь – асинхронный двигатель» предлагается структура компьютерной модели (рис. 5) [8].

В данной компьютерной модели в качестве квазичастотного преобразователя выступают три пары встречно-параллельных моделей тиристоров (VS1-VS6) подключенных к трехфазной сети (AC Voltage Source-AC Voltage Source2), фазы которых сдвинуты относительно друг друга на 120°. На вход управления каждого тиристора подается команда формирующаяся блоком пульсового генератора Pulse Generator1-Pulse Generator6, в последовательности приведенной в таблице 1.

Длительность одного интервала коммутации для частоты 7,14 Гц рассчитывается по формуле:

где Тc – период напряжения промышленной частоты равный 0,02с; n – число натурального ряда, определяемого количеством полуволн напряжения сети в полуволне квазисинусоидального напряжения в течении одного интервала включения тиристоров (для частоты 7,14 Гц n = 7).

Тиристоры VS1, VS3, VS5 пропускают положительные полуволны напряжения, а VS2, VS4, VS6 – отрицательные. Таким образом, длительность одной полуволны квазисинусоиды составляет:

Полученные в результате моделирования квазисинусоидальные напряжения и токи приведены на рисунках 5, 6 и 7.

Анализируя рисунки 6 и 7, можно сделать вывод, что в результате воздействия ЭДС вращения моменты коммутации тиристоров смещаются, что в конечном итоге обусловливает повышение потребляемого тока (рис. 8).

Выводы

При обосновании алгоритма управления АД в процессе его перевода с квазичастотного режима на естественную механическую характеристику рассмотрены проблемные вопросы и пути их решения. На основании данного алгоритма разработана компьютерная модель системы «квазичастотный преобразователь – асинхронный двигатель», с помощью которой получены диаграммы квазисинусоидальных напряжений и токов при частоте квазисинусоидального напряжения 7,14 Гц и влияние на них ЭДС вращения АД.

Полученные результаты при моделировании процессов в системе «квазичастотный преобразователь – АД» позволяют оценить функциональные свойства квазичастотного управления АД.

Список источников

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.