Черемушкина Маргарита Сергеевна. Синтез алгоритмов управления многодвигательным электроприводом конвейерного транспорта с использованием полупроводниковых преобразователей

Краткое описание

Черемушкина Маргарита Сергеевна. Синтез алгоритмов управления многодвигательным электроприводом конвейерного транспорта с использованием полупроводниковых преобразователей : диссертация ... кандидата технических наук : 05.09.03 / Черемушкина Маргарита Сергеевна; [Место защиты: С.-Петерб. гос. гор. ин-т им. Г.В. Плеханова].- Санкт-Петербург, 2009.- 158 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/115

Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)
На правах рукописи
04201000338 '7(?
ЧЕРЕМУШКИНА Маргарита Сергеевна
СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ КОНВЕЙЕРНОГО ТРАНСПОРТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.Е. Козярук
Санкт-Петербург
2009
СОДЕРЖАНИЕ
стр
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ 9
1.1. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ШАХТНЫХ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ 9
1.2. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 13
1.3. ВЫБОР СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ КОНВЕЙЕРА 16
1.3.1. ПЛАВНЫЙ ПУСК 16
1.3.2. ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 19
1.4. ВЫБОР ЗАКОНА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ 22
1.5. ВЫВОДЫ 25
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД - ЛЕНТОЧНЫЙ КОНВЕЙЕР С ИСПОЛЬЗО-ВАНИЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ 26
2.1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ... 28
2.2. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНРИВОДОМ=КОНВЕЙЕР А ... 31
2.2.1. СИСТЕМА ПРЯМОГО УПРАВЛЕНИЯ'МОМЕНТОМ DTC 32
2.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕЙЕРА 41
2.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЗКИ НА КОНВЕЙЕР 52
2.5. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕЙЕРНОЙ ПОТОЧНО¬ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ 57
2.6. ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОДВИГАТЕЛЬНОГО АСИНХРОННОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА МОДЕЛИ.... 61
2.7. ВЫВОДЫ 66
3. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫМ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ КОНВЕЙЕРНОГО ТРАНСПОРТА 67
3.1. ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМЕ АВТОМАТИЗАЦИИ МНОГОКОНВЕЙЕРНОЙ ЛИНИИ 67
3.2. АНАЛИЗ. И ВЫБОР СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ КОНВЕЙЕРА 71
3.3. АЛГОРИТМ' ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ' ЗАДАНИЯ СИСТЕМЫ, УПРАВЛЕНИЯ МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫМ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ КОНВЕЙЕРА ! 80
3.4. ВЫВОДЫ ; : 89
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТОТНО-
з
РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА КОНВЕЙЕРА 90
4.1. МАКЕТ МНОГОДВИГАТЕЛЬНОГО ЭЛЕК ТРОПРИВОДА
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ 90
4.2. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЗКИ 94
4.3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 99
4.4. ВЫВОДЫ 101
5. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ КОНВЕЙЕРОВ 102
5.1. НАДЕЖНОСТЬ ВОССТАНАВЛИВАЕМОГО ОБОРУДОВАНИЯ И МЕТОДЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ 102
5.2. ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ГОТОВНОСТИ ЗА СЧЕТ СНИЖЕНИЯ ВРЕМЕНИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ 104
5.3. КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА РАБОТЫ КОМПЛЕКСА МНОГОКОНВЕЙЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ 111
5.4. ОРГАНИЗАЦИЯ И СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ 117
5.5. ВЫВОДЫ. 125
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 126
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 137
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 140
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 150
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 : 154
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее производительных типов машин непрерывного транспорта являются ленточные конвейеры, поскольку они способны перемещать полезное ископаемое на значительные расстояния с минимальными эксплуатационными и энергетическими затратами, могут быть объединены в конвейерные линии большой протяженности и производительности, а также использоваться в комплексах циклично¬поточной технологии.
В процессе эксплуатации шахтного предприятия появляется необходимость регулирования производительности поточно-транспортной системы конвейерного транспорта и создания системы управления, с помощью которой возможно улучшить эксплуатационные показатели работы конвейера - повысить долговечность оборудования, уменьшить расход энергии, снизить трудоемкость обслуживания, снизить число и время простоев. Наиболее эффективным методом для решения поставленных задач является использование систем управления, построенных с использованием полупроводниковых частотных преобразователей.
Существующие системы управления электроприводом конвейерного транспорта не позволяют обеспечить требования по рациональному энерго- и ресурсосбережению. Например, существующая система магистрального конвейерного транспорта шахт ОАО «Воркутауголь» построена 30-40 лет назад и в настоящее время работает на предельных режимах, что становится сдерживающим фактором в работе угольного предприятия.
Сказанное подчеркивает актуальность и необходимость проведения' исследований по синтезу алгоритмов и системы- управления электроприводом конвейерного транспорта с выбором соответствующих технических средств.
Совершенствованию конвейерных электроприводов уделяли в разные годы большое внимание такие известные ученые как: Тарасов Ю.Д.,
Дмитриев В.Г., Запенин И.В., Шахмейстер JI.T., Дьячков В.К., Соловьев А.С. и т.д. [1,2,3,]. Интерес к электроприводу механизмов непрерывной транспортировки проявляют ведущие технические предприятия мира: Siemens (Германия), Schneider Electric (Франция), Metso Minerals (Англия), ОАО «Александровский машиностроительный завод» (Россия), Pioma (Польша), АВВ (Германия) и др.
Однако к настоящему времени не решен ряд вопросов, связанных с выравниваем нагрузки в много двигательном электроприводе и реализацией системы управления частотно-регулируемым конвейерным
электроприводом. Данная работа посвящена разработке алгоритма управления, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к шахтным ленточным конвейерам, и позволяющего осуществлять энерго- и ресурсосбережение с учетом случайного характера грузопотока.
Целью диссертационной работы является повышение энерго- и ресурсосбережения конвейерного транспорта путем реализации разработанных алгоритмов и системы управления частотно-регулируемым многодвигательным электроприводом конвейерного транспорта.
К основным технологическим требованиям к системе электропривода ленточного конвейера относятся:
- способность развивать высокий пусковой момент ( М„ /М„ш, =1,б...2 ), необходимый для преодоления статических усилий при пуске и создания динамического момента, обеспечивающего требуемое ускорение;
- минимизация времени пуска и- торможения с ограничением динамических натяжений ленты и отсутствием пробуксовки ленты;
- обеспечение плавного пуска при разгоне конвейера (ограничение кратковременных ускорений) и необходимость (в случаях протяженных конвейеров) регулирования скорости электроприводов;
- при протяженных конвейерах с многодвигательным электроприводом необходимо также создание систем регулирования отдельными двигателями для перераспределения нагрузки между ними и обеспечение равномерности натяжения ленты по всей длине.
Идея работы состоит в том, что для обеспечения энерго- и ресурсосбережения за счет снижения нагрузок на ленту в динамических режимах и регулирования производительности поточных конвейерных линий следует управлять электроприводами конвейерного транспорта путем регулирования частоты вращения асинхронных двигателей посредством полупроводниковых статических преобразователей
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. Разработка математической модели системы электропривод — конвейер и поточно-транспортной системы, состоящей из нескольких последовательно и параллельно включенных конвейеров.
2. Разработка алгоритмов управления частотно-регулируемыми многодвигательными электроприводами конвейерного транспорта, позволяющих обеспечить равномерность натяжения' ленты по ее длине и автоматическое регулирование отдельных двигателей с целью перераспределения нагрузки между ними.
3. Создание экспериментального, стенда с применением частотно-регулируемого электропривода и реализацией синтезированных алгоритмов системы автоматического управления (САУ).
4. Определение эффективности применения разработанных алгоритмов управления.
5. Разработка структуры системы контроля и диагностики комплекса многоконвейерных технологических линий, с целью' повышения эксплуатационных характеристик электроприводов, конвейерного транспорта.
На основании результатов исследований' сформулированы следующие научные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная математическая модель системы «частотно-регулируемый многодвигательный электропривод - конвейер - система управления конвейерами», учитывающая динамические процессы, происходящие в элементах транспортной системы, обеспечивает оценку энергетической эффективности применения разработанных алгоритмов, что позволяет снизить динамические перегрузки в ленте на (15-20)%.
2. Алгоритм формирования сигналов задания в системе управления многодвигательным асинхронным электроприводом, позволяющий учитывать случайный характер грузопотока, повышает равномерность перераспределения нагрузки между приводными двигателями до 80% и исключает проскальзывание ленты при изменении условий работы конвейера.
При проведении теоретических исследований использовались методы теории автоматического управления сложной электромеханической системой, методы теории электропривода и математического моделирования с использованием программы Matlab.
Экспериментальные исследования проводились на созданном лабораторном макете много двигательного асинхронного' г частотно¬
регулируемого электропривода кафедры Э и ЭМ СПГГИ(ТУ).
Научная новизна в работе:
1. Создан алгоритм управления с корректировкой сигналов задания в системе управления многодвигательным частотно-регулируемым электроприводом конвейера, учитывающий случайный характер грузопотока, что обеспечивает ресурсосбережение конвейерной установки за счет перераспределения и выравнивания нагрузки двигателей конвейера.
2. Установлены зависимости изменения, электромагнитного момента электродвигателя от динамических нагрузок на валу электропривода конвейера в режиме пуска и в-рабочих режимах при различных алгоритмах управления многодвигательным электроприводом, позволяющие обосновать необходимый алгоритм системы управления многодвигательным
электроприводом конвейера, что обеспечивает энергетически эффективный режим работы транспортной установки.
Для доказательства адекватности математической модели и реализуемости алгоритмов системы автоматического управления (САУ) был создан экспериментальный стенд с применением частотно-регулируемого электропривода. Обоснованность и достоверность результатов, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом и близкой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы состоит в создании математической модели многодвигательного частотно-регулируемого электропривода, построенной с введением системы формирования корректирующих сигналов задания при случайном характере нагрузки. Проведено апробирование алгоритмов управления многодвигательным электроприводом на микропроцессорных средствах, для чего создано программное обеспечение для программируемого контроллера.

Список литературы

5.3. ВЫВОД
1. Ресурсосбережение конвейерного оборудования возможно обеспечить в том числе за счет снижения интенсивности износа конвейерных лент и другого электромеханического оборудования, путем выбора оптимального режима работы конвейера и эксплуатации конвейерной ленты и применения автоматического контроля за его соблюдением, а также создания и внедрения системы диагностики состояния конвейера в процессе эксплуатации.
126
ЛИТЕРАТУРА
1. Спиваковский А.О., Потапов М.Г., Котов М. А. Карьерный конвейерный транспорт. -М.: "Недра", 1965.
2. Гливанский А.А., Коновалова И.П., Ротенберг В.М., Травкин Е.К. Методы управления шахтным подземным конвейерным транспортом//Средства и аппаратура горной автоматики для угольных предприятий. Труды института. Гипроуглеавтоматизация - Москва, 1978. Вып.29. - С.38-44.
3. Галкин В.И., Дмитриев В.Г., Дьяченко В.П., Запенин И.В., Шешко Е.Е. Современная теория ленточных конвейеров горных предприятий. - М.: Изд. МГГУ, 2005, 543с.
4. Васильев К.А., Николаев А.К., Сазонов КГ. Транспортные машины и грузоподъемное оборудование обогатительных фабрик. - СПб.: «Наука», 2006. - 359с.
5. Бритарев В.А., Замышляев В.Ф. Горные машины и комплексы. - М.:,
1984.-288с.
6. Коновалова И.П., Мелъкумов Л.Г., Ротенгберг В.М., Травкин Е.К. Алгоритмы оптимального управления подземными конвейерными линиями//Оперативно-диспетчерское управление и АСУ ТП на угольных предприятиях. Труды института. Гипроуглеавтоматизация - Москва, 1980. - С. 16-26.
7. Ильинский Н.Ф., Москаленко В.В. Электропривод: энерго- и
ресурсосбережение. - М.: «Академия», 2008. - 208с.
8. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергоиздат, 1982.
9. Сабинин Ю.А. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы / Ю.А. Сабинин, В.Л. Грузов, Л.: Энергоатомиздат, 1985
10. Сандлер А. С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями / А.С. Сандлер, Р.С. Сарбатов. М.: Энергия, 1974.
11. Изосимов Б.Д., Байда С.В. Алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции трехфазного автономного инвертора напряжения // Электротехника — 2004, №4, с.21-31
12. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов. - Санкт-Петербург: СПЭК, 2004. - 128с.
13. Усолъцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями // СПбГУ ИТМО 2006г.
14. Дартау В.А., Рудаков В.В., Столяров И.М. Асинхронные электроприводы с векторным управлением / Л.: Энергоатомиздат, 1982.
15. Дартау В.А., Рудаков В.В., Козярук А.Е. и др. Теоретические основы построения частотных электроприводов с векторным управлением. Автоматизированный электропривод/М.: Энергия, 1980.
16. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергоиздат, 1982.
17. Blaschke F. The principle field orientation as applied to the new transvector closed-lop control system for rotating field machines. “Siemens Rev.”, 1972.
18. Козярук A.E., Рудаков В.В. Системы прямого управления моментом в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока. - Санкт- Петербург: СПЭК, 2005. - 100с.
19. Technical guide №1. Direct torque control. ABB.
20. Technical guide №4. Guide to variable speed drives. ABB.
21. Костенко М. П., Пиотровский JI. М. Электрические машины. Часть 2. - М.-Л.: "Энергия", 1965.
22. Волков Д.П., Каминская Д.А., Динамика электромеханических систем экскаваторов. М: Машиностроение 1971.
23. Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И. М. Чиженко. -К: "Техніка", 1978. - с. 196-198.
24. Козярук А.Е., Плахтына Е.Г. Вентильные преобразователи в судовых электромеханических системах. - Ленинград: Судостроение, 1987,- 192с.
25. Слежановский О.В. Промышленный объектно-ориентированный электропривод. //Электротехника. - 2001. -№1. С. 2-6.
26. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронным электроприводом. М.: Наука. 1966. 296с.