CC BY
49
Шпиганович Алла Александровна, д-р техн. наук, профессор, kaf-eo@stu. lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Богомолов Илья Игоревич, студент, kaf-eo@stu.lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
VOLTAGE SAGS IN POWER SYSTEMS A.N. Shpiganovich, A.A. Shpiganovitch, I.I. Bogomolov
In the article the causes of voltage failures are analyzed, their parameters are given. Classification of means of protection against voltage dips and possible ways of their investigation are given.
Key words: system, electrical equipment, voltage dips, compensation, maintenance, capacitive currents, operation, industrial enterprise.
Shpiganovich Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical science, professor, head of chair, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Shpiganovich Alla Aleksandrovna, doctor of technical science, professor, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Bogomolov Ilya Igorevich, student, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
УДК 621.31.83
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО БЕЗРЕДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА СКРЕБКОВОГО КОНВЕЙЕРА
Г.И. Бабокин, В. А. Готовцева
Рассмотрены преимущества применения безредукторного электропривода скребкового конвейера с синхронным двигателем с постоянными магнитами, разработана четырехмассовая математическая модель электропривода для исследования динамических процессов. Математическая модель электропривода отличается учетом изменения жесткости рабочего участка тяговой цепи и массы перемещаемого груза в зависимости от положения очистного комбайна, что позволяет с большей точностью рассчитывать переходные процессы в рабочих и аварийных режимах электропривода.
Ключевые слова: математическая модель, скребковый конвейер, безредуктор-ный электропривод, тяговая цепь, синхронный двигатель с постоянными магнитами, инвертор, система управления.
При подземной добыче полезных ископаемых (угля, сланца калийной соли) в горнодобывающей промышленности широко применяются механизированные комплексы, в состав которых входят очистной комбайн и скребковый конвейер, определяющие в значительной мере эффективность функционирования предприятий [1, 2]. Очистной комбайн формирует грузопоток полезного ископаемого, а скребковый конвейер обеспечивает транспортирование полезного ископаемого на ленточный конвейер штрека [1, 2].
Электропривод скребкового конвейера включает головной и концевой приводы, исполнительный орган электропривода, в виде соединенные бесконечной тяговой цепи со скребками, обеспечивающий транспортирование полезного ископаемого. Динамические режимы работы электропривода характеризуются тяжелыми условиями пуска, особенно нагруженного конвейера, перегрузками и стопорениями электродвигателей при заклинивании тяговой цепи, неравномерным нагружением головного и концевого приводов и осложняются наличием упругих элементов, зазоров в редукторах, случайным характером грузопотока [3, 4, 5, 6].
В качестве нерегулируемого электропривода скребковых конвейеров применяют асинхронный электродвигатель с редуктором и муфтой предельного момента [2, 3]. Для регулирования грузопотока и снижения динамических нагрузок в последние годы применяются регулируемый электропривод: двухскоростной асинхронный двигатель; тиристорный регулятор напряжения асинхронный двигатель; преобразователь частоты - асинхронный двигатель [7, 8]. Применение регулируемого электропривода конвейера позволило снизить энергозатраты на транспортирование единицы груза [4, 9]. Все вышеуказанные электроприводы скребкового конвейера для согласования моментов и скоростей между валом электродвигателя и исполнительным органом применяют механический редуктор. В работе предложен безредукторный электропривод конвейера с вентильным синхронным двигателем с постоянными магнитами (СДПМ). Опыт применения прямого привода СДПМ в различных отраслях промышленности [10, 11, 12, 13, 14] и проведенные статические расчеты привода конвейера СП250 показали целесообразность этого технического решения. Применяя методики работ [3, 9] установлено, что безредукторный электропривод скребкового конвейера в сравнении с редукторным позволяет: уменьшить потребление электрической энергии на 12-16 % за счет повышения общего КПД привода; уменьшить ресурсы (металлы и другие материалы) при изготовлении привода на 20-25 %; снизить расходы на техническое обслуживание и ремонт привода на 11-16 %; повысить коэффициент готовности привода на 12-17 % за счет отсутствия времени восстановления редуктора и увеличения наработки на отказ привода; снизить динамические нагрузки в элементах привода за счет устранения в трансмиссии зазоров и люфтов.
Применяемые для исследования динамических процессов и синтеза систем управления математические модели традиционного электропривода скребкового конвейера [9, 15, 16, 17] не учитывают непосредственного приложения усилий, создаваемых приводами к тяговой цепи, и изменение жесткости и масс исполнительного органа.
В связи с изложенным, в работе решается задача разработки математической модели энергосберегающего безредукторного электропривода скребкового конвейера с СДПМ.
Математическая модель электропривода разработана для наиболее распространенных скребковых конвейеров серии СП [2] с головным и концевым приводами, соединенными бесконечной тяговой цепью со скребками (рис. 1). Каждый синхронный электродвигатель с постоянными магнитами СДПМ 1 и СДПМ2 головного и концевого привода включает собственно синхронную машину SM1 (SM2), которая питается от своего инвертора UZ1 и UZ2. Коммутация ключей UZ1 и UZ2 осуществляется датчиками положения ротора BQ1 и BQ2. При разработке данной модели были приняты следующие допущения: трасса конвейера прямолинейна, тяговый орган совместно с перемещаемым грузом, равномерно распределенным по длине конвейера, представляется в виде двух сосредоточенных масс, соединенных упруго-вязкими связями: верхняя ветвь с грузом представляется в виде массы m2, а нижняя ветвь - в виде массы m4; тяговый орган воспринимает только растягивающие нагрузки и разбит на две подсистемы - первая включает головной привод с верхней тяговой цепью, вторая - концевой привод с нижней тяговой цепью; скорости в точках набегания и сбегания тяговой цепи на звездочки равны. В модели учтено, что приводные электродвигатели СДПМ 1 и СДПМ2 соединены с соответствующими звездочками ЗВ1, ЗВ2 без редуктора.
СДПМ1 СДПМ2
Рис. 1. Расчетная схема механической части и структура электропривода конвейера
Процессы в механической части электропривода конвейера описываются следующей системой уравнений:
( О Б1 + О СД1) P2Х
К
( О Б2 + О СД2 ) p Х3
' = МСД1 + КЗВ1 (£4,1 £1,2 ) ; = Мсд2 + КЗВ2 ( S2,3 - £3,4 ) ;
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
^Х2 =( £1,2 - £2,3 )- ^ ^Х4 =(£3,4 - £4,1 )- ^ £1,2 = СТО ( Х1 - Х2 ) + АгО (РХ1 - РХ2 ) ; 5*2,3 = СгО ( Х2 - Х3 ) + РгО (Р*2 - Р*3 ) ; £4,1 = СТО ( Х4 - Х1 ) + РтО (РХ4 - РХ1 ) ; 5*3,4 = Сто ( х3 - х4 ) + РгО (РХ3 - РХ4 ) ,
где - оператор Лапласа; Осд1, Осд2 - моменты инерции ротора первого и второго
синхронного двигателя; Обь ОБ2 - момент инерции приводного первого и второго барабанов со звездочками; КзВ1, КЗВ2 - радиусы приводных звездочек; С12=Сто/Ьк; С23=Сто/(Ь-Ьк) - жесткости головной, концевой частей верхней ветви тяговой цепи; С14=С43=Сто/0,5£ - жесткости головной и концевой частей нижней ветви тяговой цепи; Ь - длина конвейера; Ьк - длина головной части верхней ветви тягового органа; Сто - погонная жесткость тягового органа; вто - коэффициент вязкости участков тягового органа; Х1, х2, х3, х4 - соответственно линейные перемещения первой и второй звездочки и сосредоточенных масс верхней и нижней ветвей цепи; ^тр1, ^гр2 - силы трения, действующие соответственно в верхней и нижней части тягового органа; £1,2, £1,4 - натяжения участков тягового органа между звездочкой головного привода и соответственно 2-й и 4-й сосредоточенными массами; £2,3, £3,4 - натяжения участков тягового органа между звездочкой концевого привода и соответственно 2-й и 4-й сосредоточенными массами.
Уравнения для перемещаемых масс груза:
т2 = тТО + тГ = g0 • Ь + дГ • Ьк; т4 = тТО = Ь • д0,
(8) (9)
где тг, тто - сосредоточенные массы груза и тягового органа; дг и до - погонные массы груза и тягового органа.
Сила трения или сила сопротивления перемещению рабочего органа на прямолинейном участке равна [2]:
Ртр1 = g (^Г У + тТО -У) sign (РХ2 ); (10)
^тр2 = (тТО - g ' УТО
) sign ( px4 ) , (11)
где у-го, Уг - соответственно коэффициенты сопротивления движению тягового органа и груза; g - ускорение свободного падения.
При определении жесткости участков тяговой цепи Ci,2, С2,з и величины массы m2 груза учитывается положение очистного комбайна в лаве.
Уравнения для СДПМ и инвертора UZ получены при следующих допущениях: линия магнитного возврата постоянных магнитов является стабилизированной; не учитывается нелинейность магнитной цепи машины; в системе управления двигателем обеспечена компенсация действия перекрестный обратных связей [18].
В этом случае операторная схема одного из двигателей СДПМ1, СДПМ2 представлена на рис. 2, в которой учитывается, что формирование динамических моментов головного и концевого приводов происходит в соответствии с уравнениями (1), (2).
Рис. 2. Операторная схема синхронного электродвигателя с постоянными магнитами
В операторной схеме двигатель СДПМ1 (СДПМ2) представлен передаточными функциями статорной обмотки '^(р) и инвертора Wuz. Коэффициент С отрицательной обратной связи по ЭДС вращения. В передаточных функциях '1(р) и 'ш обозначено: Т8= Ья/ЯЛ - переходная постоянная времени статорной цепи СДПМ; Ь - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора; - переходное активное сопротивление обмотки статора; Кп - коэффициент передачи преобразователя UZ по напряжению; Тп - постоянная времени преобразователя UZ.
Для оптимального использования двигателя введен сигнал компенсации действия внутренних перекрёстных обратных связей ек [18].
Привод с СДПМ имеет подчиненную систему управления с двумя регуляторами, тока АА и скорости АЯ. Обратные связи организованы с помощью датчика тока иА и датчика скорости ЦК.. Параметры регуляторов АА и АЯ синтезированы по техническому оптимуму и имеют следующие обозначения: Кт, Кс, Кая, КАА - коэффициенты передачи датчиков тока и скорости; регулятора скорости и тока; Тая, Таа - интегральные постоянные регуляторов скорости и тока; ЦЗС, ЦЗТ, № - напряжения задания скорости, тока и напряжения.
Математическая модель электромеханической системы скребкового конвейера реализована по уравнениям (1-11) и структурной операторной схеме СДПМ (рис. 2) поэлементно в системе БГМиЬШК пакета МАТЬАВ для скребкового конвейера СП250 с тороидальными электродвигателями 1Б'б. Сравнение диаграмм пусковых режимов работы конвейера, полученных на модели, с экспериментальными показало достоверность равную 8-13 %. Математическая модель безредукторного электропривода скребкового конвейера с СДПМ используется для исследования переходных процессов заклинивания тяговой цепи конвейера, оценки неравномерности нагружения головного и концевого приводов, и синтеза параметров технологической системы управления электроприводом конвейера.
Таким образом применение безредукторного электропривода скребкового конвейера повысит эффективность его функционирования за счет снижения удельных энергозатрат на транспортирование, уменьшения ресурсов при изготовлении, снижения затрат на техническое обслуживание и повышения надежности. Разработанная математическая модель безредукторного электропривода скребкового конвейера с вентильным синхронным электродвигателем с постоянными магнитами отличается учетом непосредственного приложения усилий к тяговой цепи и изменения жесткости и масс исполнительного органа.
Список литературы
1. Галкин В.И., Шешко Е.Е. Транспортные машины. М.: Горная книга, 2010.
588 с.
2. Кантович Л.И., Хазанович Г.Ш., Волков В.В., Воронова Э.Ю., Отроков А.В., Черных В.Г. Машины и оборудование для горностроительных работ: учебное пособие. М.: Горная книга, 2013. 447 с.
3. Сурина Н.В., Ищенко В.А., Хасенов Ж. Статистические характеристики надежности очистных комбайнов и скребковых конвейеров // Горный информационно-аналитический бюллетень. 1999. Вып. 8. С. 151-152.
4. Бабокин Г.И., Насонова Т.В. Выбор системы привода скребкового конвейера // Электроснабжение и электросбережение. 2003. С. 26-28.
5. Ещин Е.К. Динамика скребковых конвейеров. Обзор // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2015. С. 108-115.
6. Ткаченко А.А., Осичев А.В. Анализ динамических процессов в двухпривод-ном скребковом конвейере в различных технологических режимах // Вестник НТУ ХПИ. 2011. С. 182-184.
7. Кибрик И.С. К вопросу повышения надежности привода забойных скребковых конвейеров // Уголь. 2016. Вып. 8. С. 96-97.
8. Бойков И.Л., Шестаков В.В., Заклика М., Ульрих Н. Опыт внедрения преобразователей частоты для привода забойных конвейеров шахты «Воргашорская» // Глю-кауф. 2010. С. 79-82.
9. Ершов М.С., Яризов А.Д. Ресурсосберегающий электропривод технологических установок трубопроводного транспорта газа, нефти и нефтепродуктов // Учебное пособие. 2010. 136 с.
10. Ван Л., Гао Ю. Прямое управление моментом для СДПМ // Труды IEEE International Электрические машины и приводы конференция IEMDC. 2007. С. 403-406.
11. Гейер Т., Beccuti М.А. Интеллектуальная модель прямого управления моментом постоянного магнита синхронных электродвигателей // Выставка ВОДМ. 2010. С. 1-8.
12. Гуляев И.В., Волков А.В., Попов А.А., Бобров М.А. Векторное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами // Научно-технический вестник Поволжья. Вып. 5. 2015. С. 187-190.
13. J.G. Shi, J. Mao, X.H. Wei. Research on Dynamic Tension Control Theory for Heavy Scraper Conveyor // Applied Mechanics and Materials. 2010. 1956-1960 pp.
14. D.S. Zhang, X.H. Liu, L.G. Shi, J. Mao, Z. Li. Scraper Conveyor Dynamic Modeling and Simulation // Advanced Materials Research. 2011. 426-430 pp.
15. Ковчин С. А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. СПб.: Энергоатомиздат, 2000. 496 с.
16. Осичев А.В., Ткаченко А.А. Разработка семейства компьютерных моделей для исследования динамических процессов в электроприводе скребкового конвейера // Вестник НТУ ХПИ. 2008. Вып. 3. Часть 2. С. 84-91.
17. Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальгадо М.Э. Проектирование систем управления. М.: БИНОМ, 2010. 911 с.
18. Денисов В. А. Электроприводы переменного тока с частотным управлением. Старый Оскол: ТНТ, 2017. 164 с.
Бабокин Геннадий Иванович, д-р техн. наук, профессор, babokingi-nov@yandex.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»,
Готовцева Валерия Афанасьевна, аспирант, shumprui7amail.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
A MA THEMA TICAL MODEL OF THE ENERGYSA VING GEARLESS ELECTRIC DRIVE
OF THE SCRAPER CONVEYOR
G.I. Babokin, V.A. Gotovtseva
The advantages of the use of a gearless electric drive scraper conveyor with a synchronous motor with permanent magnets are considered, a four-mass mathematical model of the electric drive for the study of dynamic processes is developed. The mathematical model of the electric drive differs taking into account changes in the stiffness of the working section of the traction chain and the mass of the transported load depending on the position of the cleaning combine, which allows more accurate calculation of transients in operating and emergency modes of the electric drive.
Key words: mathematical model, scraper conveyor, gearless drive, traction chain, synchronous motor with permanent magnets, inverter, control system.
Babokin Gennady Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, babokingi-novayandex. ru, Russia, Moscow, National University of science and technology «MISIS»,
Gotovtseva Valeriya Afanasevna, postgraduate, shumprui 7amail. ru, Russia, Moscow, National University of science and technology «MISIS»
УДК 621.383.51
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
В.М. Степанов, Ю.И. Горелов, С.Н. Пахомов
Проведен анализ различных способов повышения эффективности функционирования альтернативного источника энергии - солнечной батареи. Показано, что наиболее эффективными способами являются ориентирование солнечной батареи по азимуту и поддержание рабочей точки режима в окрестности точки максимума ВВХ.
Ключевые слова: солнечная батарея, солнечный фотоэлемент, КПД солнечной батареи, ориентация солнечной батареи, ВАХ и ВВХ солнечной батареи.
Солнечная энергия - возобновляемый и неисчерпаемый источник энергии, который используется для получения электрической энергии при помощи солнечных батарей.
