CC BY
17
Shelihov Evgeniy Sergeyevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Orenburg, Orenburg State University Orenburg,
Grekov Eduard Leonidovich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, [email protected], Russia, Orenburg, Orenburg State University Orenburg,
Milekhin Martin Borisovich, general director, [email protected], Russia, Yekaterinburg, «Diagnostics and Non-Destructive Control»
УДК 62.83.52.0313
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ПУСКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА СКРЕБКОВОГО КОНВЕЙЕРА МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Д.С. Овсянников
Разработана модель скребкового конвейера с использованием библиотеки Simscape. Определены основные зависимости частотного пуска электропривода скребкового конвейера. Приведены результаты компьютерного моделирования в режиме двухступенчатого пуска.
Ключевые слова: скребковый конвейер, моделирование, привод, тяговый орган, симуляция, математическая модель, броски пускового тока, тяговое усилие.
Значительную долю рабочего цикла скребкового конвейера СК составляют режимы пуска и остановки, достигая до 150-300 раз в сутки [1]. Действие знакопеременных электромагнитных моментов, создаваемых пусковыми токами асинхронного двигателя (АД) с короткоза-мкнутым ротором, которыми оснащены скребковые конвейеры, негативным образом сказывается на ресурсе АД, элементах редуктора и тягового органа (ТО) СК, вызывая их усталостные повреждения, преждевременный износ и, в конечном итоге, приводит к отказам и простоям очистного механизированного комплекса (ОМК) [2]. На сегодняшний день для ограничения пускового тока и обеспечения плавности пуска СК в его электроприводе применяется гидромуфта, механическая характеристика которой позволяет осуществить разгон АД при малой нагрузке, однако она создает условия для резкого наброса вращающего момента на трансмиссию при достижении двигателем номинальной скорости. В [3,4] исследовались вопросы частотного пуска СК в зависимости от формы изменения частоты на выходе ПЧ при пуске, и, полученные выводы были применены к двухприводному СК, но с синхронными двигателями [5].
Поэтому актуальной является задача снижения максимальных значений пусковых токов и уровня динамической усилий в ТО конвейера, которая может быть решена путём разработки частотного способа управления режимом пуска электропривода СК, имеющего в качестве приводных асинхронные двигатели.
Цель работы - установление закономерностей изменения параметров процесса частотного пуска электропривода СК и разработка алгоритма его запуска, обеспечивающего ограничение пускового тока и максимального тягового усилия в скребковой цепи заданными значениями.
Основное содержание. Для достижения поставленной цели необходимо: разработать математическую модель электропривода СК, питаемого от ПЧ. Расчетная модель электропривода СК включает два приводных электродвигателя, один из них установлен на головном приводе, а другой на хвостовом приводе. В качестве приводных двигателей принимаются асинхронные двигатели марки 2ЭДК0ФВ250М4 мощность по 55 кВт, в качестве ТО - параметры СК типа СП202М-55. Параметры СК и АД приведены соответственно в табл. [6] и [7]. На основании расчетной схемы электропривода СК была создана его математическая модель в программном пакете Simscape - рис. 1.
С помощью модели исследован переходный процесс пуска электропривода СК. В качестве изменяемого параметра принято время установления номинальной частоты на выходе ПЧ, задаваемое от t = 1,5 с до t = 10 с. Динамика процесса пуска оценивалась среднеквадратичным отклонением потребляемой активной мощности от номинальной мощности двигателя за время пуска по следующему выражению (1):
|ё (р - р)2
" (1) где Рг - потребляемая мощность электродвигателем в г-ый шаг интегрирования, кВт; Р - номинальная мощность электродвигателя, кВт; п - число шагов интегрирования.
Результаты моделирования процессов частотного пуска, полученные в среде МЛИЛВ, приведены на рис. 3-5.
ВалАД1-Ред1 Реда"°Р1 Вал Ред1 - 3е1
-ойо1-
сю
С
Инерция редуктора 1
во1юр
Вал АД2-Ред2 Редукторг В>П Реп2 • Зв2
а
Инерция АД2 Инерции
редуктора 2
Рис. 1. Математическая модель частотно-регулируемого электропривода скребкового
конвейера
Суть двухступенчатого запуска заключается в следующем: приводная звёздочка СК работает на низкой скорости в течение некоторого времени, затем начинает ускоряться и, в результате, достигает стабильной скорости вращения [8,91, в работе [101 доказано, что «£» образная форма изменения скорости имеет наилучшие показатели. Поэтому она принята для дальнейшего исследования, система уравнений, описывающая её вид показана на рис. 2 (а), а реализация в Simulink показана на рис. 2 (б). В системе уравнений х - входной параметр (время), а -время начала пуска, Ь - время окончания пуска.
/(х; а Ь) =
0,
а < х
Ь - а
а < х < -
а + Ь
, х - Ь ) а + Ь 1 - 21-I , -< х < Ь
Ь-а
2
х > Ь
+
+ 1 Гц
З-вЬарей ЫР
б
Рис. 2. Задание «Б» образной формы пуска электродвигателей конвейера, система уравнений (а) и их реализация в Б1ты1тк (б)
Увеличение времени запуска t позволяет эффективно снизить динамическую нагрузку запуска СК. Однако, время запуска ограничено требованиями экономии энергоресурсов и возможным повышением температуры привода. Поэтому момент запуска должен быть ограничен
559
2
ха
2
2
1
а
по времени, в качестве критерия выбора оптимального времени запуска принято попадание в 10% диапазон, установившегося значения среднеквадратичного отклонения потребляемой активной мощности от номинальной мощности двигателя за время пуска, при различных значениях времени пуска и загрузки конвейера рис. 2.
1,5 2 2.? 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7.5 8 8.5 9 9,5 10 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5.5 6 6,5 7 7.5 8 8,5 9 9,5 10
Время, с Время, с
а б
Рис. 3. Среднеквадратичное отклонение мощности двигателя при пуске на номинальную загрузку (а) и половинную загрузку (б)
Из рис. 3 видно, что оптимальное время двухступенчатого пуска конвейера составляет 3,5 с, а дальнейшее увеличение времени пуска не значительно уменьшает отклонение, при этом может привести к дополнительному нагреву электродвигателя и ПЧ.
На рис. 4 приведены зависимости изменений токов электродвигателей головного (1ад1) и хвостового (1ад2) приводов и усилие натяжения цепи (Р) возле головной приводной звёздочки, при времени пуска равного 3,5 с, для случая полной загрузки конвейера. Из зависимостей следует, что наибольшее значение тока равно 1,95 о.е., которое меньше перегрузочной способности ПЧ. Также максимальное усилие в цепи достигает величины в 110 кН, что меньше допустимого значения по условию сохранения запаса прочности, равного 150 кН. При этом немаловажным фактом является то, что переходный процесс проходит без значительных колебаний.
Время, с
Рис. 4. Электромагнитные и механические процессы при частотном пуске конвейера с временем пуска * = 3,5 с при номинальной загрузке
На рис. 5 представлен график изменения скорости гружёной ветви конвейера, на нём видны характерные участки двухступенчатого пуска, с 0 с по 1 с, разгон и установление низкой (маневровой) скорости, и с 1 с по 3,5 с разгон до номинальной скорости.
560
Время, с
Рис. 5. График изменения скорости конвейера
Выводы:
1. Разработана математическая модель ЭП СК, отличающаяся тем, что учитывает совместную работу двух частотно-регулируемых приводов, упруго-диссипативные свойства ТО, позволяет адекватно описывать динамические процессы в ТО, что позволяет рассматривать эту модель как объект системы управления.
2. Разработан алгоритм двухступенчатого пуска электропривода СК, заключающийся в выборе оптимального времени установки номинальной частоты на выходе ПЧ. Предложенный алгоритм пуска электропривода конвейера обеспечивает максимальное быстродействие пуска и ограничение динамических нагрузок в элементах электропривода СК допустимыми значениями.
Список литературы
1. Ещин Е.К. Теория предельных режимов работы горных машин, Томск: Изд-во Томского ун-та, 1995. 232 с.
2. Каширских В.Г., Переверзев С.С. Управление пуском одноприводного скребкового конвейера // Вестник КузГТУ. 2005, №: 5. С. 79-82.
3. LI Yang, HE Baiyan, YUAN Pengfei, NIE Rui, LI Guopin. Variable Frequency Drive and Transmission System of the Heavy Armoured Face Conveyor// Journal of Mechanical Engineering. 2018. Vol.54, №.3. P. 8-17.
4. LU Xiujie, HAN Yuewen Optimal start-up control on armored face conveyor // Journal of Liaoning Technical University (Natural Sciense). 2010. Vol.29, №.4. P. 646-649.
5. Д.Х. Ле, Темкин И.О., Агабубаев А.Т. Оптимизация управления режимами пуска скребкового конвейера на основе анализа результатов имитационного моделирования // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. №3(51). 6-11-2020. C. 10-21. DOI: 10.21672/2074- 1707.2020.50.2.010-021, http://hi-tech.asu.edu.ru/?articleId=1224.
6. Шпрехер Д.М., Бабокин Г.И., Колесников Е.Б., Овсянников Д.С. Исследование неравномерности нагружения двухдвигательного частотно-регулируемого электропривода скребкового конвейера // Известия ВУЗов. Электромеханика. 2021, Том 64, № 4-5. С. 37-45.
7. Технические характеристики и описание электродвигателей 2ЭДКОФ(В)250 и 3ЭДКОФ250 [Электронный ресурс] URL: http://tdpemz.su/produktsiya/elektrodvigateli-2edkof-v-250-i-3edkof250 (дата обращения: 10.08.2021).
8. Аренс К. Условия запуска загруженных конвейеров с приводами обычного типа // Глюкауф. 1984, №12. С. 9-14.
9. Давыдов Б.Л., Скородумов. Б.А. Динамика горных машин. М., 1961. 335 с.
10. Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. Теория электропривода. 2007. 585 с.
Овсянников Дмитрий Сергеевич, магистрант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
STUDY OF TWO-STAGE STARTING OF ELECTRIC DRIVE OF A SCRAPER CONVEYOR BY THE
METHOD OF MATHEMATICAL MODELING
D.S. Ovsyannikov 561
A model of a scraper conveyor has been developed using the Simscape library. The main dependences of the frequency start-up of the scraper conveyor electric drive have been determined. The results of computer simulation in the two-stage start-up mode are presented.
Key words: scraper conveyor, simulation, drive, traction element, simulation, mathematical model, inrush current, tractive effort.
Ovsyannikov Dmitry Sergeevich, undergraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 629.423.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-562-568
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА С ТЯГОВЫМИ МАШИНАМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Ле Суан Хонг, Чан Ба Ле Хоанг
В настоящее время нет однозначного ответа на вопрос о том, какой тип тягового электропривода (ТЭП) лучше использовать на электроподвижном составе (ЭПС). В каждой системе ТЭП есть свои плюсы и минусыю. При этом для выбора действительно перспективной и рациональной системы ТЭП необходимы анализ и оценка эффективности систем ТЭП эксплуатируемых ЭПС. Их результаты могут быть полезны при разработке и модернизации эксплуатируемых и разрабатываемых систем ТЭП. В данной статье представляется провести сравнительный анализ систем управления ТЭП с тяговыми машинами постоянного тока (ТМ ПТ).
Ключевые слова: система реостатного пуска, рекуперативно-реостатное торможение, бесконтакторное тиристорное управление, тяговые и тормозные свойства, тяговая машина постоянного тока, асинхронная тяговая машина, комплект электрооборудования, потребление энергии, эффективность рекуперации.
Системы управления ТЭП электроподвижного состава неоднократно менялись, совершенствовались, сохраняя, при этом преемственность и общие конструктивные решения. Например, система реостатного пуска с коллекторными тяговыми машинами (КТМ) постоянного тока применялась на первых вагонах метрополитена, в частности, в Советский период работы Мосметрополитена (1935-1991 гг.) было разработано и запущено в серийное производство семь типов вагонов метро (А, Г, Д, Е, модели 81-717/714, 81-715/716 и 81-718/719) и несколько модификаций вагонов типа Е и мод. 81-717/714 [1]. При пуске последовательно подключенный в цепь питания тяговых машин (ТМ) реостат постепенно выводится при поддержании постоянного тока и, соответственно, ускорения ЭПС, после чего разгон продолжается по естественным характеристикам двигателей, а затем происходит ослабление магнитного потока обмоток возбуждения. Это происходит при помощи специальных электромеханических устройств - группового реостатного контроллера (или ускорителя) с серводвигателем, реле ускорения-торможения, контакторов. Некоторые схемы также предусматривают перегруппировку схем соединения ТМ, с последовательной на последовательно-параллельную - для снижения реостатных потерь.
Развитие полупроводниковой техники сделало возможным применение импульсного регулирования напряжения на ТМ, в частности на метропоездах из вагонов типа Еи (с тири-сторно-импульсным системами управления ТИСУ) и вагонов типа Еир (в ней наряду с безреостатным пуском было применено рекуперативно-реостатное торможение ТМ с отдачей электрической энергии торможения в контактную сеть) [1]. В этом случае исключаются из схемы пусковые реостаты, а напряжение на двигателях регулируется при помощи импульсного преобразователя напряжения, изготовленного с применением силовых тиристоров или транзисторов.
562
