CC BY
61
Таким образом, использование дифференци- строении систем управления асинхронными
альной эволюции упрощает применение мето- электродвигателями.
дов оптимального управления [2-5] при по-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Янг Л. Лекции по вариационному исчислению и теории оптимального управления. - М.: Мир, 1974. -488 с.
2. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. - М.: Наука, 1976. -392 с.
3. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления.- М.: Наука, 1968. -408 с.
4. Кротов В.Ф., Гурман В.И. Методы и задачи оптимального управления. - М.: Наука,1973. -446 с.
5. Кротов В.Ф., Букреев В.З., Гурман В.И. Новые методы вариационного исчисления в динамике полета. -М.:Машиностроение,1969. -288 с.
6. Kenneth V. Price, Rainer M. Storn, Jouni A. Lampinen. Differential Evolution. A Practical Approach to Global Optimization. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005. -537 pages.
7. Vitaliy Feoktistov. Differential evolution. In Search of Solutions. Springer Science+Business Media, LLC, 2006. - 200 pages.
8. Bidyadhar Subudhi, Debashisha Jena. Differential evolution computation applied to parameter estimation of induction motor / Archives of Control Sciences, Volume 19(LV) No. 1, 2009. Р. 5-26.
9. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. - М.: Наука, 1979. -284 с.
□ Автор статьи:
Ещин
Евгений Константинович, докт. техн.наук, профессор каф. прикладных информационных технологий КузГТУ.
Email: [email protected]
УДК 621.867:621.313
Е.В. Пугачев, М.В. Кипервассер, Д.С. Аниканов
КОНТРОЛЬ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОНВЕЙЕРНОГО ТРАНСПОРТА ПОСРЕДСТВОМ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Конвейерно-транспортные машины различной мощности, производительности и протяженности являются одним из основных видов грузового транспорта на угольных шахтах и предприятиях по переработке полезных ископаемых (угольных и рудных обогатительных фабриках, металлургических заводах и др.). От надежной, ритмичной и безотказной работы этих механизмов напрямую зависят производительность и экономические показатели работы предприятия в целом.
Работа узлов и агрегатов конвейерных линий сопровождается воздействием значительных механических нагрузок. В большинстве случаев эти нагрузки являются расчетными, но даже в этом случае их постоянное воздействие приводит к постепенному износу и в конечном итоге выходу механизма из строя по тем или иным причинам. Сами эти причины весьма разнообразны. Слож-
ность и тяжесть повреждения определяет продолжительность простоя оборудования, затраты на ремонт, размер ущерба. В этой связи защита механизмов от опасных режимов работы и своевременная диагностика возникающих неисправностей является одним из условий бесперебойной работы агрегатов и предприятия в целом.[1]
Важно отметить, что во многих случаях конвейерные механизмы в течение эксплуатационных периодов работают без наблюдения персонала, либо его количество мало по сравнению с количеством обслуживаемого оборудования. По этой причине сами аварии выявляются несвоевременно, а их характер определяется зачастую неверно, что увеличивает потери производства. Поэтому своевременное и точное определение места и характера повреждения технологического оборудования является актуальной задачей. В условиях
отсутствия постоянного обслуживающего персонала, для определения неисправностей и аварийных ситуаций важно задействовать все имеющиеся возможности, в том числе и косвенные.
Стандартная технологическая схема конвейерной линии представлена на рис. 1. Все перечисленные здесь элементы в процессе эксплуатации подвержены износу и поломкам. Отказ любого из них может привести к остановке конвейера в целом, и, как следствие, всей технологической цепочки.
На практике контроль состояния механизма осуществляется следующими датчиками:
- контроля станции натяжения ленты;
- температуры смазки редуктора;
- застревания горной массы (заштыбовки);
- скорости вращения головного барабана;
- контроля схода ленты;
- уровня горной массы в бункере приема и отгрузки.
Перечисленные выше датчики не могут в полной мере охватить весь спектр аварийных ситуаций, присущих конвейерным установкам (расцепление передаточных муфт редуктора, обратный ход груженой ленты, неисправность опорных подшипников редуктора и барабанов, заклинивание или обрыв ленточного полотна, и пр.). Поэтому весьма желательна разработка дополнительных методик контроля, действующих в комплексе со стандартными защитами.
Решить поставленную задачу можно путем контроля электрических параметров приводного электродвигателя сопряженного с механической частью конвейера.
Известно, что в электроприводе большинства конвейерных механизмов используются асинхронные электродвигатели, которые преобразуют электрическую энергию питающей сети в механическую энергию на валу. Неисправности механической части конвейера приводят к отклонениям величины момента на валу электродвигателя от нормальных для данного режима значений. Следовательно, контролируя электрические параметры приводного двигателя можно судить о состоянии механической части конвейерного механиз-ма.[4,6]
Теоретической основой методики контроля являются известные описания переходных и энергетических процессов в асинхронном электродви-гателе.[2]
Упрощенная схема замещения асинхронной машины, представлена на рис. 2 [4].
Опираясь на методику описания асинхронной машины в координатной системе, вращающейся с угловой скоростью й)к уравнения состояния электрических параметров, выразятся [4]:
а ¥
и„ = ¡< ^ * (1)
й ¥ ___Г
+ к - ™)¥г
А
¥, Lsis+Lmir
¥г ^^ті я + Іті г
М = 3/2 ¥, х і, = -3/2 ¥г х іг где и,, иг - напряжения статора и ротора;
¥, , ¥г - потокосцепления статора, ротора;
(2)
(3)
(4)
(5)
Рис. 1. Технологическая схема конвейерной линии: 1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 - питатель; 4 -бункер; 5 - опорные и поддерживающие ролики; 6 - конвейерная лента; 7 - станция натяжения ленты;
8 - железоуловитель и железоотделитель.
К, , Кг - сопротивления статора и ротора;
Lm - взаимная индуктивность статора и ротора;
Юк - угловая скорость системы координат;
Н - угловая скорость ротора;
Ls , Lr - индуктивности статора и ротора;
М - момент на валу двигателя;
і,, іг - токи статора и ротора.
Численная величина момента на валу описывается выражением [5]: т~р
М = -2-
-Е2н 12 cos W 2!
(6)
где р - число пар полюсов;
Ю2 - синхронная скорость поля статора;
¥2 - угол сдвига фаз тока ротора и ЭДС;
Е2н - ЭДС неподвижного ротора;
І2 - фазный ток обмотки ротора.
Если в это уравнение подставить величину ЭДС , то получим следующее выражение момента:
M =
• 4.44 • f • wk ФI2 COsW2 (7)
а1 2 2 2 2
где Ф - постоянный магнитный поток в зазоре;
/ - частота напряжения сети;
Н2 - количество витков обмотки ротора; к2 - обмоточный коэффициент ротора. Векторная диаграмма работающего асин-
хронного двигателя изображена на рис. 3 [5]:
жения машины согласно рис.3 можно выразить:
Uj cos фі = IjRj + U cos Wj (8)
где U - модуль вектора Э.Д.С. статора;
ф 1 - угол сдвига фаз между током (Ij) и напряжением (U1) статора;
Wj - угол сдвига фаз между ЭДС и током статора;
Rj - активное сопротивление статора;
U1 - напряжения статора.
Умножив левую и правую части уравнения (8) на Ij, получим выражение мощности, потребляемой одной фазой двигателя, через потери в меди обмотки статора и через мощность, передаваемую одной фазой вращающемуся полю:
Uj Ij cos ф1 = Ij2R1+UIj cos Wj (9) Значение Ij cos Wj можно заменить через соответствующие составляющие намагничивающего тока и приведенного тока ротора согласно диаграмме, изображенной на рис. 4 [5]:
Рис. 3.Векторная диаграмма вращающегося асинхронного двигателя
Рис. 4. Векторная диаграмма тока статора
Из приведенной диаграммы следует:
I¡ cos tyi = I0 sin a+ I2 cos W2 , (10)
где Io -ток ветви намагничивания; a - угол магнитных потерь;
I2 -приведенный ток ротора.
С учетом (10) выражение (9) преобразуется:
2 '
U¡ I¡ cos y¡ = I¡ R¡ + UI0 sin a+UI2 cos W2
(11)
Из выражения (11) следует:
u If R
I2 cos W2 = и I\ cos y¡ - U - I0 sin a
(12)
где I0 sin a -произведение тока ветви намагничивания и синуса угла магнитных потерь (величина незначительная и в процессе работы остающаяся практически неизменной).
Реальный ток ротора I2 при известном значении приведенного тока I2 определится выражением:
Активную составляющую первичного напря-
Т = Ґ 3wik1
2 2 m2w2k2
(13)
где Ні - количество витков статора;
к1 - обмоточный коэффициент статора; т2 - число фаз обмотки ротора;
Н2 - количество витков обмотки ротора; к2 - обмоточный коэффициент ротора.
С учётом (12,13) выражение момента на валу двигателя будет иметь вид:
M = 4.44 • f • w к ФI2 COS^9 =
2 2 2 2
13.32 fw-ik-i ,U\ ^ R \
=-------а-------(—I cosm----------------I sina)
a1 yU 1 1 U ~ 0 ’
(14)
Таким образом, зная значения R¡, w¡ , k¡ , Ф, w¡ и учитывая постоянную составляющую Io sin а , измерение величин Ul , Il , cos фі можно считать косвенным измерением величины момента на валу.
Вместе с тем использование полученного выражения для построения защиты конвейерной линии затруднено по следующим причинам:
- величины магнитного потока Ф , числа витков обмотки статора wi , активного сопротивления обмотки статора Ri как правило не указываются в паспортных данных и сопроводительных данных на электрическую машину;
- полученное выражение (14) пригодно для описания момента двигателя только в установившихся режимах с постоянной нагрузкой. В режимах пуска, изменения загрузки механизма или по какой-либо аварийной ситуации возникают пере-
ходные процессы, как в механической, так и в электрической частях электропривода;
- значение питающего напряжения и1 нельзя принимать постоянным, так как оно зависит от конструктивных параметров сети электроснабжения [3].
Однако, известны способы вычисления значений параметров указанных в выражении (14):
- величины магнитного потока Ф , числа витков обмотки статора ~№], активного сопротивления обмотки статора Я], относятся к так называемым наблюдаемым параметрам электрической машины, значения которых можно определить, используя методику, изложенную в [3];
- математическая модель механизма и сопряженной с ним асинхронной машины в переходных режимах представлена системой дифференциальных уравнений, решение которой позволяет получить зависимость момента валу двигателя в периоды протекания динамических процессов. По данным [3] как правило получается колебательный переходный процесс заканчивающийся в течение 0,4...0,6 секунды, что позволяет применять предложенную методику определения момента, так как время протекания механических переходных процессов существенно больше;
- влияние на величину напряжения конструктивных параметров сети электроснабжения можно оценивать по методикам, изложенным в [3]. При этом необходим замер текущего значения напряжения на зажимах двигателя.
Таким образом, контролируя указанные в уравнении (14) параметры и учитывая, что их изменения при смене режимов работы технологиче-
Таблица 1. Значения параметров в различных режимах работы механизма.
Режим работы, вид неисправности, степень загруженности механизма (%). Величина тока статора Коэф. мощности Cos ф Изменение величины тока статора относительно нормального режима со 100% загрузкой Изменение коэф. мощности относительно нормального режима со 100% загрузкой
Режим холостого хода, неисправностей отсутствуют, 0%. 235 0,53 -45 % -37 %
Режим работы с / нагрузки, неисправностей нет, 50%. 375 0,71 -12 % -15 %
Работа с полной нагрузкой, неисправностей нет, 100%. 428 0,84 - -
Появление излишнего груза, перегруз конвейера, 120%. 458 0,87 7 % 4 %
Заклинивание ленты горной массой, остановка движения ленты, 100% (ограничено уставками защиты) 540 0,89 26 % 6 %
Сход ленты и частичное задевание става роликовых опор, 100%. 440-460 0,85-0,87 3-7 % 1-4 %
Отслоение вулканизированного шва ленты конвейера, 100% 440-460 0,85-0,87 3-7 % 1-4 %
Поломка опорного подшипника в двигателе, 100% 440-470 0,85-0,88 3-10 % 1- 5 %
Рис. 5. Функциональная схема защиты конвейера: 1,2,14 - блоки задержки, 3 - измерительное устройство, 4,12,13 - ключи, 5 - блок снятия значения, 6,15 - блоки сравнения, 7 - блок памяти, 8 - блок регистрации, 9 - блок задания уставки, 10 - блок индикации, 11 - блок управления АД, 16 - блок задания
ского объекта и появление неисправностей механической части происходят значительно быстрее по сравнению с изменением величин скольжения и скорости, можно фиксировать возникновение нештатных режимов работы механизма в самый начальный момент их появления.
Изложенная методика для конкретного технологического агрегата позволяет оценить величины изменения момента на валу, тока статора и коэффициента мощности приводного электродвигателя при изменения вида нагрузок, причинами которых служат разного рода механические неисправности, отклонение масс перевозимого груза и др.
Например, для механизма конвейера углепо-дачи ЦОФ «Краснобродская-Коксовая» (приводной электродвигатель ВАО2-315Ь6, Рн=200 кВТ, пн= 965 об/мин, номинальный ток статора /н=437
А) получены величины отклонения параметров в различных режимах работы, в том числе и нештатных (таблица 1).
Полученные данные подтверждают, что контролируя электрические параметры асинхронного электродвигателя можно идентифицировать аварийные режимы и техническое состояние механизма. Устройства контроля можно реализовать на базе микропроцессорных устройств, предусмотренных в штатных системах автоматики. Фрагмент функциональной схемы защиты, содержащий канал контроля величины тока статора представлен на рис. 5.
Таким образом, контроль энергетических параметров технологического объекта в целом на наиболее доступном для точных замеров участке, позволяет распознавать и предупреждать аварийные режимы работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. БольшаковА.С. Углеобогатительные и брикетные фабрики - Л. : Углеметтехиздат, 1982. - 240 с.
2. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока: учебник для вузов. - М.-Л. : Госэнергоиздат, 1963. - 744 с.
3. Ещин Е.К. Динамические процессы электромеханических систем горных машин в режимах пуска и стопорения. Дисс. док. тех. наук. - Кемерово, 1996. - 270с.
4. Кипервассер М.В., Инжелевская О.В. Пугачев Е.В. Методика автоматического распознавания аварийных ситуаций оборудования компрессорной станции //Вестник КузГТУ, 2011, №4. С. 51-55.
5. Касаткин А.С., Перекалин М.А. Электротехника. Учебник для вузов.-М.: Государственное энергетическое издательство, 1955. - 376 с., ил.
6. Кипервассер М.В. Методика автоматического распознавания аварийных ситуаций механического оборудования, сопряженного с электрической машиной - сборник трудов IV Всерос. науч. практ. конф. СибГИУ, Новокузнецк, 2010. С. 245-247.
□Авторы статьи :
Пугачев Емельян Васильевич, д.т.н., профессор, зав. каф. электромеханики (Сибирский государственный индустриальный университет) тел: (3843) 74-86-37
Кипервассер Михаил Вениаминович. канд.техн. наук, доцент, зав. каф. электротехники и электрооборудования (Сибирский государственный индустриальный университет) тел: (3843) 46-23-88
Аниканов Дмитрий Сергеевич, инженер ООО «ПНУ» ОК «Сибшахтострой»
