Анализ демпфирующих свойств экскаваторных электроприводов при управляющем воздействии

Валиев Р.М.; Попельнюхов В.И.; Фащиленко В.Н.

УДК 621.879

Р.М. Валиев, В.И. Попельнюхов, В.Н. Фащиленко

АНАЛИЗ ДЕМПФИРУЮЩИХ СВОЙСТВ ЭКСКАВАТОРНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПРИ УПРАВЛЯЮЩЕМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Семинар № 21

щ т ольшую часть парка машин при ЛЗ открытой добыче полезных ископаемых составляют карьерные экскаваторы, в частности одноковшовые экскаваторы и драглайны. От эффективности их работы зависят экономические показатели карьера в целом. В настоящее время существует тенденция к увеличению единичной мощности главных электроприводов карьерных экскаваторов, а это в свою очередь означает, что при неизменной нагрузке экскаваторов возрастают скорости и ускорения работы этих механизмов. Однако увеличение единичной мощности означает также и увеличение динамических нагрузок в электромеханических системах (ЭМС) экскаваторов. Особенно это проявляется в ЭМС, содержащих упругие элементы, такие как канаты напора и подъема одноковшовых экскаваторов. В упругих элементах возникают упругие усилия (или моменты) носящие колебательный характер. Упругие колебания способствуют накоплению усталостных напряжений в элементах ЭМС, приводит к их более быстрому износу и как следствие быстрому выходу из строя. Это в свою очередь приводит к более частым остановкам экскаватора для ремонта, его простоям и т.д. Поэтому ограничение динамических нагрузок, максимальное демпфирование этих колебаний является актуальной задачей.

В настоящее время на одноковшовых карьерных экскаваторах применяется в основном электропривод системы генератор - двигатель с тиристорным возбудителем (Г-Д с ТВ) и на экскаваторе ЭКГ-20 система с управляемым выпрямителем - двигатель (УВ-Д). Не смотря на то, что система УВ-Д применяется только на одной модели экскаватора, рассматриваются обе системы.

Поскольку контур тока в системах подчиненного регулирования координат отвечает за качество переходного процесса по току и моменту двигателя (ток и момент двигателя связаны между собой прямопропорциональной зависимостью), то, изменяя структуру и параметры регулятора тока, можно добиться ограничения динамических нагрузок в упругих элементах экскаваторных электроприводов, не вводя дополнительных обратных связей.

Для системы Г-Д с ТВ рассматривались структуры с ПИ - регулятором и ПИД - регулятором тока, а для системы УВ-Д соответственно с И - регулятором и ПИ - регулятором тока. Для двух данных систем электропривода были получены математические модели и, в частности, собственные операторы передаточных функций при работе электропривода в нормальном, рабо-чем режиме:

- для системы Г-Д с ТВ (ПИ - регулятор тока)

п (р) = р 6гртг„гл Я +

Я,

+ръТрт(Тп + Гя)Т2 Я + р4Грт(ГпГя + г,22 Я +

Я, Я,

+р3 (трт(тп + Тя)+Я2ТІ) Я +

Я

2 Т Т У- 1 2

+р (Т + Ти Т± I----------+ ГТ,22) +

(1)

Я Я У

V- 1 Т

+ р (Я2 + Я --) ~Я~ + 11

7 Я

- для системы Г-Д с ТВ (ПИД - регулятор тока)

п(р) = рЯ + р4ТртТ12 Я -

+ р3 (ТрпТп + Я2Т12 )ТЯ +

(2)

" + уТу2 ) +

V-1 Т

+ р (Я2 + Я3 -) ЯЯ + 1 ;

У Я

- для системы УВ-Д (И - регулятор тока) П(р) = р*ТтТпТЛ Я +

Я

р%тТ + Тя )Т2 Я + р4ТртТпТя + ТІ)Я -

Я| Я|

+ Р 3(ТртіТп + Тя ) + ЯТ12) Я +

УТ 12 ) "

(3)

АТрт Я + Тн Я Г— 1 ' ^ 2

Я Я1 у

у-1 Т

р (Я + Я1—) Я+1;

У Я

- для системы УВ-Д (ПИ - регулятор тока)

П(р) = рЯ + р4ТртТ12 Я +

Я Я

+ р 3(ГртТп + Я2ТУ2 ) ~Т +

->2 /у Тм + Т Тм У - 1 і „т2

рт * н і

Я1 Л Г

+ р 2(Трт-Г + Тн'

(4)

У-1 Т

+ р (Я2 + Я ------------) Я + 1 '

Г Я1

Из полученных соотношений видно, что идентичный вид имеют формулы (1) и (3), а также (2) и (4), то есть собственные операторы систем Г-Д с ТВ и УВ-Д одинаковы при использовании соответствующих регуляторов. Если собственные операторы имеют один и тот же вид, то и переходные процессы, протекающие в этих системах должны носить одинаковый характер. Такое предположение было подтверждено на модели ЭМС подъема экскаватора ЭКГ-8. При этом, в системе УВ-Д с И - регулятором тока постоянная времени интегрирующего звена ТИ была взята такой же, как и в системе Г-Д с ТВ с ПИ - регулятором тока (последняя приблизительно в 4 раза больше, чем в системе УВ-Д с ПИ

- регулятором тока). В системе Г-Д с ТВ с ПИД-регулятором тока постоянная времени интегрирующего звена ТИ была взята такой же, как и в системе УВ-Д с ПИ - регулятором тока.

Результаты моделирования показали, что переходные процессы в системах УВ-Д и Г-Д с ТВ при соответствующих регуляторах идентичны. Однако можно отметить, что применение И - регулятора тока в системе УВ-Д дает несколько лучший результат по сравнению с ПИ - регулятором. Аналогично структура с ПИД - регулятором в системе Г-Д с ТВ дает лучшее качество переходных процессов. Объясняется это следующими обстоятельствами: применение И - регулятора тока позволяет искусственно “растягивать” переходный процесс, т. е. снижается быстродействие токового контура, что аналогично применению задатчика интенсивности.

Применение ПИД - регулятора тока позволяет “сжимать” переходный процесс, т.е. увеличивать быстродействие токового контура и получать переходные процессы сходные с процессами в системе УВ-Д, которые имеют несколько

лучший характер по сравнению с системой Г-Д с ТВ.

Так как в системе УВ-Д искусственно снижается быстродействие токового контура, то нет необходимости снижать быстродействие контура скорости, а ограничиться теми же параметрами, как и при стандартной настройке на “технический оптимум”. В этом случае качество переходных процессов резко возрастает.

На рис.1, 2, 3, 4, 5, 6 приведены переходные процессы в ЭМС одноковшовых экскаваторов с различными структурами управления.

Анализ переходных процессов позволил сделать следующие выводы:

1. Переходные процессы в системах УВ-Д и Г-Д с ТВ при соответствующих регуляторах протекают одинаково.

2. Наилучшее качество переходных процессов в системе УВ-Д имеет место при использовании И - регулятора тока и неизменном коэффициенте передачи контура скорости. В большой степени увеличилось демп-фирование колебаний, время переходного процесса уменьшилось на 41% по сравнению с переходными процессами, полученными при стандартной настройке на “технический оптимум”.

3. Лучшее качество переходных процессов в системе Г-Д с ТВ имеет место при использовании ПИД - регулятора тока по сравнению с ПИ - регулятором тока.

Необходимо отметить, при том, что переходные процессы в системах УВ-Д и Г-Д с ТВ с соответственно И и ПИД -регуляторами тока являются наилучшими из выше рассмотренных, они все таки имеют слишком большую колебательность и время переходного процесса.

В настоящее время уже достаточно широко известен способ ограничения и демпфирования колебаний в упругих элементах путем введения дополнительных обратных связей по моменту нагрузки в упругом элементе. В системе с подчиненным регулированием координат в дополнение к существующим жестким обратным связям по току и скорости вводятся либо дополнительная гибкая отрицательная связь по моменту нагрузки в упругом элементе (ГООСН), либо дополнительные гибкая и жесткая отрицательные обратные связи по моменту нагрузки в упругом элементе (ГООСН и ЖООСН). Применение только ЖООСН не допустимо [1].

Метод нормированных передаточных функций [1, 2] позволяет увязывать параметры ЭМС и показатели колебательности. Этот же метод позволяет определить параметры регу-ляторов и ГООСН.

По полученным переходным процессам видно, что применение данной связи (ГООСН) в ЭМС одноковшового экскаватора дает удовлетворительные результаты. Увеличилось демпфирование колебаний и уменьшилось время переходного процесса даже по сравнению с системой УВ-Д с И - регулятором тока.

Выводы

1. В двухмассовых ЭМС одноковшовых экскаваторов с системой

УВ-Д без дополнительных обратных связей для ограничения и демпфирования колебаний в упругих элементах необходимо применять И - регулятор тока.

2. В двухмассовых ЭМС одноковшовых экскаваторов с системой

Г-Д с ТВ без дополнительных обратных связей для ограничения и демпфирования колебаний в упругих элементах необходимо применять ПИД - регулятор тока.

Рис. 1. Переходные процессы в системе Рис. 2. Переходные процессы в системе УВ-Д с ПИ-регулятором тока УВ-Д с И-регулятором тока

Рис. 3. Переходные процессы в системе Г-Д с ТВ с ПИ-регулятором тока

Рис. 4. Переходные процессы в системе Г-Д с ТВ с ПИД-регулятором тока

Рис. 5. Переходные процессы в системе УВ-Д с ПИ-регулятором тока и ГООСН

Рис. 6. Переходные процессы в системе Г-Д с ТВ с ПИ-регулятором тока и ГО-ОСН

3. Для большего ограничения и демпфирования колебаний (в обеих системах УВ-Д и Г-Д с ТВ) необходимо введение дополнительных обрат-

ных связей по моменту нагрузки в упругом элементе, которые обеспечивают наилучшие результаты.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ляхомский А.В., Фащиленко В.Н. Управление электромеханическими системами горных машин: Монография. - М.: Изд-во МГГУ, 2004. - 296 с.

2. Справочник по автоматизированному электроприводу/ Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. - М.: Энергоатомиздат, 1986. -606 с.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------

Валиев Р.М., Фащиленко В.Н. - Московский государственный горный университет, Попельнюхов В.И. - ЛГОК.

Текст научной работы на тему «Анализ демпфирующих свойств экскаваторных электроприводов при управляющем воздействии»