На правах рукописи

ЧЕРЕМУШКИНА Маргарита Сергеевна

СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ КОНВЕЙЕРНОГО ТРАНСПОРТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.03 Ц Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2009

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Козярук Анатолий Евтихиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Ефимов Игорь Григорьевич

кандидат технических наук

Томасов Валентин Сергеевич

Ведущее предприятие Ц ООО СПб-Гипрошахт, г.Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится л30 сентября 2009 г. в 14ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.224.07. в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. №7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета).

Автореферат разослан л28 августа 2009аг.

Ученый секретарь

диссертационного совета

профессор, д.т.н. В.В. Габов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: 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.

Совершенствованию конвейерных электроприводов уделяли в разные годы большое внимание такие известные отечественные ученые как: Тарасов Ю.Д., Дмитриев В.Г., Запенин И.В., Шахмейстер Л.Т., Дьячков В.К., Соловьев А.С. и т.д. Интерес к электроприводу механизмов непрерывной транспортировки проявляют различные технические предприятия мира: Siemens (Германия), Schneider Electric (Франция), Metso Minerals (Англия), ОАО Александровский машиностроительный завод (Россия), Pioma (Польша), ABB (Германия) и др.

Однако к настоящему времени не решен ряд вопросов, связанных с выравниванием нагрузки в многодвигательном электроприводе и реализацией системы управления многодвигательным асинхронным частотно-регулируемым конвейерным электроприводом. 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.

Данная работа посвящена разработке алгоритма управления, удовлетворяющего техническим требованиям, предъявляемым к шахтным ленточным конвейерам, и позволяющего осуществлять энерго- и ресурсосбережение с учетом случайного характера грузопотока. Наиболее эффективным методом решения поставленных задач является построение систем управления с применением частотно-регулируемых асинхронных двигателей.

Цель работы: повышение энерго- и ресурсосбережения конвейерного транспорта путем реализации разработанных алгоритмов управления частотно-регулируемым многодвигательным асинхронным электроприводом конвейера.

Задачи исследования:

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.

Идея работы: 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

Научная новизна:

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.

Защищаемые положения:

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.

Методы исследований: 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 лабораторном макете многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода кафедры Э и ЭМ СПГГИ (ТУ).

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается достаточным объемом и близкой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы:

Создана математическая модель многодвигательного частотно-регулируемого электропривода, построенная 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.

Внедрение разработанных алгоритмов и системы управления шахтным конвейерным транспортом осуществлено в ОАО Гипрошахт и ОАО Воркутауголь.

Апробация работы:

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов ЭКСПО-Наука 2003, проводившейся под эгидой ЮНЕСКО; Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов Неделя науки СПбГПУ 2004-2006, 2008г; международной конференции молодых ученых Проблемы освоения полезных ископаемых 2005г; конференции молодых ученых Полезные ископаемые России и их освоение 2005г; научных конференциях в Краковской Горно-металлургической академии 2005-2007г; международном форуме молодых ученых Проблемы рационального природопользования 2006г; международной конференции в Фрайберге 2008г.

ичный вклад автора:

Разработана математическая модель системы электропривод - конвейер и модель управления поточно-транспортной системой, состоящей из нескольких последовательно и параллельно включенных конвейеров.

Разработан алгоритм управления частотно-регулируемым многодвигательным электроприводом конвейера, позволяющий обеспечить автоматическое регулирование отдельных двигателей с целью перераспределения нагрузки между ними и равномерность натяжения ленты по ее длине.

Создан экспериментальный стенд с применением частотно-регулируемого электропривода и реализацией синтезированных алгоритмов системы автоматического управления.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 10 научных работ в периодических изданиях, в сборниках научных трудов и в сборниках тезисов докладов научно-технических конференций, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки. Подана заявка на патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 178 наименований и 5 приложений. Основной текст диссертации изложен на 137 страницах, включает в себя 34 рисунка и 12 таблиц. Общий объем работы - 178 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована идея работы, на основании которой определены цель и основные задачи исследования, а также научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе проведен краткий анализ состояния, специфических особенностей эксплуатации и алгоритмов управления существующих систем шахтных ленточных конвейеров. Сформулированы общие задачи и требования по управлению многоконвейерной технологической линией.

Во второй главе обоснован выбор асинхронного электропривода с использованием полупроводниковых частотных преобразователей. Разработана математическая модель системы электропривод - конвейер и модель управления поточно-транспортной системой, состоящей из нескольких последовательно и параллельно включенных конвейеров. Проведен сравнительный анализ алгоритмов для локальных контроллеров частотного управления электроприводом. В качестве алгоритма управления принят алгоритм с прямым цифровым управлением моментом.

В третьей главе рассматривается возможность построения микропроцессорной системы управления комплексом конвейерных линий. Приведены технические требования к аппаратным средствам и организации связи системы верхнего уровня и локальных систем управления электроприводами. Предложены алгоритм работы и структура системы управления конвейерным частотным электроприводом.

В четвертой главе приведено описание и результаты исследования режимов работы на лабораторно-экспериментальной установке, являющейся макетом системы многодвигательного частотно-регулируемого асинхронного электропривода, с реализацией синтезированных алгоритмов системы автоматического управления (САУ).

В пятой главе рассматривается организация и структура системы контроля и диагностики комплекса электроприводов конвейерной линии. Обосновывается возможность повышения коэффициента готовности за счет снижения времени восстановления. Даются рекомендации по аппаратному обеспечению.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

На основании проведенных исследований сформулированы следующие научные положения.

1. Разработанная математическая модель системы частотно-регулируемый многодвигательный электропривод Ц конвейер Ц 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)%.

Показано, что для перспективных конвейерных систем определёнными преимуществами обладает схема с асинхронными регулируемыми электроприводами с применением полупроводниковых преобразователей частоты.

Поскольку в диссертационной работе ставилась задача исследования электромеханических режимов работы привода, то при моделирования полупроводниковых преобразователей использовались упрощённые математические модели элементов (без детального изучения процессов, обусловленных коммутацией ключей преобразователя). Упрощённые модели позволяют решать задачи расчёта статических, механических и регулировочных характеристик электромеханических систем, а также задачи синтеза систем управления.

На основании выбранной схемы (рис.1) расположения конвейеров в многоконвейерной линии в приложении Simulink программы MatLab была разработана модель системы конвейер - многодвигательный электропривод в виде отдельных блоков, входы которых представляют собой управляющие и возмущающие воздействия для данного элемента системы, а выходы - переменные состояния, являющиеся предметом исследования или входными сигналами для других блоков.