Электромеханические системы транспортирующих механизмов


В. Ф. Борисенко, А. А. Чепак








ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ

Монография














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.867:622.6-83:669
ББК 31.291
     Б82


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий и городов Донецкого национального технического университета Ковалев Александр Петрович;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горнозаводского транспорта и логистики Донецкого национального технического университета Гутаревич Виктор Олегович




            Борисенко, В. Ф.


Б82 Электромеханические системы транспортирующих механизмов : монография / В. Ф. Борисенко, А. А. Чепак. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 276 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0830-1

     Рассмотрены вопросы разработки обобщенных структур электромеханических систем, в которых в качестве базовой используется двухмассовая расчетная схема. Существенное внимание уделено электромеханическим системам конвейерного транспорта, дается подробный анализ системы привода на переменном токе с УПТФ. Рассматриваются системы скипового подьема для доменной печи, шахтной подьемной установки с приводным синхронным двигателем. Специальный раздел посвящен практическим аспектам диагностирования.
     Для специалистов в области электромеханических систем автоматизации и электропривода. Может быть полезно студентам старших курсов электротехнических и металлургических направлений подготовки.

                                             УДК 621.867:622.6-83:669
                                             ББК 31.291




ISBN 978-5-9729-0830-1

     © Борисенко В. Ф., Чепак А. А., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

                ВВЕДЕНИЕ





      В настоящее время для большинства транспортирующих механизмов и устройств в качестве электроприводов используются устаревшие системы, обладающие относительно невысокими технико-экономическими показателями. Замена электрооборудования на новое не всегда представляется возможной из-за отсутствия средств у заказчика. Поэтому основное направление сейчас - это поддержание электрооборудования в работоспособном состоянии и постоянный контроль за его техническим состоянием. Оценка технического состояния конкретной электромеханической системы начинается с визуального осмотра ЭМС, оценки диапазона изменения нагрузок в пределах рассматриваемого цикла, температуры подшипниковых узлов, температуры двигателя, наличия смазки и т. д. Если появляется необычный шум, усиливается вибрация системы, то необходимо прибегнуть к вибродиагностическим методам - измерить виброскорость и виброускорение в характерных точках системы. После определения возможных неисправностей устанавливается вид ремонтного воздействия.
      Повышение ресурса системы напрямую связано с ограничением динамических нагрузок элементов ЭМС. Поэтому применение специальных блоков, узлов, ограничивающих токи, моменты, формирующих желаемый характер движения исполнительного органа, поддерживающих коэффициент мощности на оптимальном уровне, будет способствовать продлению срока службы конкретного оборудования.

3

                УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ





            Условные обозначения


     U, и - напряжение
     I, i - ток
     Y - потокосцепление
     R - активное сопротивление
     Q - угловая частота вращения
     M- момент
     L - индуктивность
     X- индуктивное сопротивление
     T - постоянная времени
     Р - жесткость механической характеристики
     .у - скольжение
     E, e - электродвижущая сила
     P - активная мощность
     Q - производительность
     D - диапазон
     H - давление t - время
     Р - оператор Лапласа
     <р - угол поворота, угловой путь
     bin - угловой зазор
     М|2-упругий момент
     J - момент инерции
     Р₁₂ - коэффициент вязкого трения
     с ₁₂ - жесткость
     Qi₂ - частота свободных колебаний двухмассовой системы a - линейное ускорение
     b - коэффициент внутреннего вязкого трения
     C - коэффициент линейной жесткости упругого элемента
     E - линейная жесткость погонного метра упругого элемента о - угловая скорость £ - угловое ускорение
     F - усилие
     G - сила тяжести
     i - передаточное число механической передачи
     Кдин - коэффициент динамичности
     L, l - длина
     m - масса
     n - скорость (об/мин)
     R - радиус

4

     ДS- линейная слабина каната
     г9- линейная скорость
     Q - угловая частота


            Сокращения


     ЭДС - электродвижущая сила
     АД - асинхронный двигатель
     СД - синхронный двигатель
     УП - управляемый преобразователь
     АИТ - автономный инвертор тока
     АИН - автономный инвертор напряжения
     ЛЧХ - логарифмическая частотная характеристика
     Г-Д - система генератор - двигатель
     ТП-Д - система тиристорный преобразователь - двигатель
     РТ - регулятор тока
     РС - регулятор скорости
     Ф - фильтр
     У - усилитель
     Ш - шунт
     В - выпрямитель
     Р - редуктор
     Б - барабан
     Т - тормоз
     С - скип
     К - канат
     ЭМС - электромеханическая система
     ЭТР - электронное токовое реле
     О - осциллограф
     П - пружина
     ШПУ - шахтная подъемная установка
     ПЧ-СД - система преобразователь частоты - синхронный двигатель

5

                СОДЕРЖАНИЕ





ВВЕДЕНИЕ.......................................................................3

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ..............................................4

1. ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ...................................................10
     1.1. Расчетные схемы, структуры электромеханических систем...............10
     1.2. Применение частотных методов при анализе электромеханических систем.20
     1.3. Частотный анализ выходного напряжения типовых статических преобразователей.........................................................37
     1.4. Оценка поведения электромеханических систем с приводным асинхронным двигателем при типовых возмущениях.......................................49
     1.5. Экспериментальная оценкатехнического состояния двухмассовой электромеханической системы..............................................62
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЧАСТИ ПЕРВОЙ..............................................75

2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОНВЕЙЕРНОГО ТРАНСПОРТА........................77
     2.1. Общие вопросы конвейерного транспорта...............................77
     2.2. Типовые системы электроприводов конвейерного транспорта.............82
     2.3. Электропривод конвейера с пусковым тиристорным устройством..........84
       2.3.1. Поверочный расчет мощности приводных двигателей конвейера.......88
       2.3.2. Оценка пускового режима электромеханической системы конвейера....90
         2.3.2.1. Статические характеристики электропривода...................90
         2.3.2.2. Переходные процессы в электромеханической системе конвейера при действующем УПТФ (пуск)...........................................96
     2.4. Разработка и исследование узла динамического токоограничения с целью повышения плавности пуска.........................................103
       2.4.1. Схема и принцип работы узла....................................103
       2.4.2. Исследование сквозных динамических характеристик узла..........103
     2.5. Исследование динамики разгона электропривода с контуром динамического токоограничения.........................................................107
     2.6. Расчет параметров узла динамического токоограничения...............114
     2.7. Оценка степени демпфирования двигателем иглообразных участков коммутационных всплесков тока и момента.................................125
     2.8. Расчетные электромеханические схемы конвейеров и их модели.........125
       2.8.1. Общие вопросы компьютерного моделирования электромеханических систем с приводным асинхронным двигателем.............................133
       2.8.2. Блок-схемы типовых моделей электромеханических систем конвейеров.136
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЧАСТИ ВТОРОЙ.............................................146

6

3. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДОМЕННОГО СКИПОВОГО ПОДЪЕМНИКА................................................................147
     3.1. Специфические особенности доменного производства................147
     3.2. Общие сведения о доменном скиповом подъемнике...................147
       3.2.1. Устройство и работа транспортирующего механизма.............147
       3.2.2. Устройство наклонного моста.................................149
       3.2.3. Устройство скипов...........................................150
       3.2.4. Устройство скиповой лебедки.................................150
       3.2.5. Кинематическая схема подъемника.............................151
       3.2.6. Циклограмма работы механизма................................152
     3.3. Электроприводы скиповой лебедки.................................153
       3.3.1. Электропривод постоянного тока по системе Г-Д...............153
       3.3.2. Электропривод постоянного тока по системе ТП-Д..............154
       3.3.3. Частотно-управляемые электроприводы с двигателями переменного тока.... 154
     3.4. Возможные аварийные ситуации при работе механизма подъема.......156
     3.5. Обзор существующих способов защиты электромеханического оборудования от аварийных перегрузок..............................................158
     3.6. Сравнительный анализ динамической нагруженности электромеханической системы скипового подъемника в нормальном и аварийном режимах
     его работы...........................................................159
       3.6.1. Влияние параметров механической части подъемника на нагруженность тягового каната при разгоне скипа..................................156
       3.6.2. Влияниеместакрепленияупряжи наустойчивостьдвижения скипа....166
       3.6.3. Оценка возрастания тягового усилия при наезде скипа на неподвижное препятствие........................................................169
       3.6.4. Предпосылки к созданию упреждающей токовой защиты при стопорении скипа................................................173
       3.6.5. Оценка величины усилий в деформированных элементах фермы подъемника при зацеплении их со скипом..............................175
     3.7. Оценка возможной эффективности упреждающей токовой защиты скипового подъемника от аварийных режимов............................178
       3.7.1. Общие замечания..............................................178
       3.7.2. Теоретические предпосылки к созданию токового реле с избирательным реагированием на интенсивность изменения тока двигателей............179
       3.7.3. Влияние электромагнитной инерции силовой цепи электропривода на формирование производных момента и тока двигателей в пусковом режиме
       и при скачках механической нагрузки.................................183
         3.7.3.1. Определение последовательности режимов, адекватных поведению реальной подъемной установки......................................183
         3.7.3.2. Подача сигнала на разгон при заторможенных двигателях...184
         3.7.3.3. Растормаживание двигателей, разгон вхолостую, выбор провиса тягового каната..................................................186
         3.7.3.4. Натяжение каната до момента трогания скипа с места......189
         3.7.3.5. Разгон скипа с последующим равномерным движением........192
         3.7.3.6. Равномерное движение скипа с последующим наездом на неподвижное препятствие.......................................196

7

     3.8. Выбор рациональной структуры и анализ селективных свойств упреждающей токовой защиты скипового подъемника...................................199
       3.8.1. Сравнительный анализ известных принципов построения и функционирования упреждающей токовой защиты.......................199
         З.8.1.1. Выделение производной выходной величины дифференцированием через фильтр......................................................199
         3.8.1.2. Формирование разности между эталонной и реальной функциями тока двигателей...................................................200
         3.8.1.3. Формирование разности между плавающими уставками и сигналом тока...................................................201
       3.8.2. Выбор рациональной структуры упреждающей токовой защиты......202
       3.8.3. Установление функциональной связи между моментом двигателей и сигналом тока.....................................................204
       3.8.4. Анализ реакции электронного токового реле на изменения тягового усилия
       в нормальном и аварийных режимах подъемной установки................205
         3.8.4.1. Аппроксимация зависимостей момента и его производной от времени........................................................205
         3.8.4.2. Формирование сигнала срабатывания упреждающей защиты при набросе тягового усилия в результате выбора провиса.......................207
         3.8.4.3. Формирование разностного сигнала в режиме нарастания момента заторможенных двигателей при подаче сигнала на разгон.............210
         3.8.4.4. Оценка эффективности упреждающей защиты при наезде скипа на неподвижное препятствие........................................210
     3.9. Разработка и экспериментальные исследования электронного токового реле упреждающей защиты....................................................212
       3.9.1. Требования, предъявляемые к реле защиты......................212
       3.9.2. Принципиальная схемаэлектронного токового реле с тиристорным ключом, принцип работы, элементная база.............................213
       3.9.3. Исследование процесса формирования сигнала упреждающей защиты на математической модели электромеханической системы скипового подъемника................................................215
         3.9.3.1. Расчетная динамическая модель подъемника.................215
         3.9.3.2. Математическое описание и структурная схема динамической модели............................................................218
         3.9.3.3. Структурная схема математической модели..................218
         3.9.3.4. Основные результаты математического моделирования........218
       3.9.4. Исследование упреждающей токовой защиты на физической модели подъемника..........................................................224
         3.9.4.1. Построение и принципиальная схема модели.................224
         3.9.4.2. Особенность применения на физической модели электронного токового реле с электромагнитным ключом...........................227
         3.9.4.3. Оценка адекватности физической модели натурному объекту..229
         3.9.4.4. Основные результаты физического моделирования............231
         3.9.4.5. Результаты опытной проверки блока упреждающей защиты в промышленных условиях...........................................232
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЧАСТИ ТРЕТЬЕЙ..........................................234

8

4. ЭЛЕКТРОПРИВОД ШАХТНОЙ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ
С ПРИВОДНЫМ СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ........................................236
     4.1. Расчётная механическая схема ШПУ...............................236
     4.2. Структурная схема современной ШПУ с приводным синхронным двигателем .... 240
     4.3. Особенности математического моделирования электромеханической системы ШПУ с приводным синхронным двигателем......................241
     4.4. Структура системы управления системы ПЧ-СД....................245
       4.4.1. Оценка возможности применения скалярного управления системы ПЧ-СД для привода ШПУ.............................................245
       4.4.2. Синтез системы векторного управления синхронным двигателем при поддержании тока..............................................247
     4.5. Исследование поведения электромеханической системы ШПУ с приводом по системе ПЧ-СД при отработке типовых тахограмм. Оценка влияния видов обратных связей на колебательность привода.........................255
     4.6. Выбор диагностических признаков для оценки состояния электромеханической системы ШПУ с приводом по системе ПЧ-СД........263
       4.6.1. Выбор зазора..............................................263
       4.6.2. Наложение механического тормоза...........................267
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЧАСТИ ЧЕТВЕРТОЙ.....................................273

9

                1. ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ





            1.1. Расчетные схемы, структуры электромеханических систем



      Как известно, любая электромеханическая система представляет собой совокупность узлов, блоков, звеньев, основное назначение которых - привести в движение исполнительный орган или механизм. Движущее усилие или момент после электромеханического преобразования в приводном электродвигателе (приводном блоке) проходит последовательно через ряд упруго-вязких блоков, муфт, редукторов и др., изменяя свою величину и характеристики. В частности, мы можем говорить при анализе поведения системы о максимумах значений, достигаемых величинами и об амплитудно-частотном составе этих величин. Сравнивая макси

мальные значения с нормированными, можно судить о перегрузках звеньев, элементов, а, оценивая частотный спектр диагностируемых величин, появляется возможность выйти на

определенную техническую неисправность.
      На данный момент решение такой задачи в производственных целях практически не представляется возможным из-за отсутствия специальной аппаратуры и подготовленных

специалистов-диагностов.
      Поэтому на первый план выдвигаются вопросы выбора диагностических признаков среди реально контролируемых величин или среди величин, которые могут быть получены расчетным образом на базе моделей реальных электромеханических систем.
      Наиболее простым представлением упруго-вязкой механической системы может быть двухмассовая расчётная схема. В случае учета таких нелинейностей, как сухое трение и зазор

поведение системы описывается следующими уравнениями:
'J, ■ pa, = M, - M,₂ - MTP, (а,);
J₂ ■ pa₂ = M,₂ - MC - MTP₂ (а₂);

                              My = C,2 -A^;
                              Ma = Д₂ ■ pV’.-;

                                      M,2 = My + M.;
MTP, (a,) = M"ₜₚ , (a,) ■ sign (a,);
MTP ₂ (a₂) = M"ₜₚ ₂ (a₂) ■ sign (a₂);

(1.1)

0,

A^2

Aa,₂ p

< ^₂;

AaI₂
      ; p

Aa,₂ P

> SVl2

где p - оператор Лапласа;

      Jj - момент инерции первой массы;
      J₂ - момент инерции второй массы; а, - частота вращения первой массы; а₂ - частота вращения второй массы;

     M, - движущий момент первой массы;

,0

    M12 _ движущий моментом второй массы;                                          
    MTP1 - момент сухого трения первой массы, величина которого зависит, в общем   
    случае, от частоты вращения первой массы 0 ;                                   
    MTP2 - момент сухого трения второй массы, величина которого зависит, в общем   
    случае, от частоты вращения второй массы 02;                                   
    MC - момент сопротивления механизма, приложенный ко второй массе;              
    My - упругая составляющая момента, пропорциональная углу закручивания вала     
    между первой и второй массами;                                                 
    Мв - вязкая составляющая момента, пропорциональная разности частот вращения    
    первой и второй масс;                                                          
    C12 - коэффициент упругости между первой и второй массами, CI2 = M12 = M12 ;   
    АР12  ^ - ^2                                                                   
    /?12 - коэффициент вязкого трения между первой и второй массами Д = M12 = M12 ;
                                                                        Аф12 0 - 02
    Ауу - текущее значение угла закручивания вала между первой и второй массами,   
    л         0-0                                                                  
    АР12 = Р1 Р2 = 1     ;                                                         
    Р                                                                              
    8(р12 - величина зазора в кинематической передаче.                             
    Для упрощения записи уравнений и общности в оценке результатов примем, что:    
    T = J ■ 06 ■                                                                   
                                      M1   1 М6 ’                                  
                  ^              6                                            (1.2)
    T = J ■ 0б                                                                     
    TM1 =J2      ,                                                                 
                                      1       м6                                   
где 06 - базисное значение частоты вращения;                                       
    М6 - базисное значение момента.                                                
    Базисные значения коэффициентов упругости и вязкого трения:                    
                                    Q = = М_ = Мб .                                
                                 12 6   р6   06 ■ Т6’                              
    <|            6      6   6                                               (1.3) 
                                       Аг 6 = М,                                   
                                      1       06                                   
где Т6 - базисное значение постоянной времени.                                     
    Поведение электромеханической системы может быть описано также и уравнениями   

пространства состояний

 I х = Ах+ Ви:                                                                
 ^                                                           (1.4)            
 [у = Сх+ Du.                                                                 
 Ниже на рис. 1.1 приведена детализированная (произведено выделение переменных

состояния и их производных) структурная схема линеаризированной ( 8(рх₁ = 0 ) двухмассовой

системы.

11

Рисунок 1.1 - Детализированная структурная схема двухмассовой системы

      Для двухмассовой системы (рис. 1.1) члены, входящие в уравнение 1.4, примут вид:

                             X = [x₁ x₂ xз] ;у = [щ₁

и = [м! мс ];

£12

—

—

А =

                                    T
                                    м М1
                                    1
£12 Тм 2

(1.5)

С =

                                                1
£12 О

12

v"12
Т ^м 2

v"12
T м M1
О

О
с
’-'12
О

      Результаты расчёта переходных процессов в двухмассовой системе, полученные по уравнениям (1.1) и (1.4) - (1.5) идентичны. В качестве примера рассмотрена реакция системы на скачкообразное изменение входного воздействия М₁ без учёта демпфирующих свойств системы и при условии отсутствия зазора в кинематической передаче (рис. 1.2, а), а также с

Рисунок 1.2 - Реакция системы на скачкообразное изменение М1: а - при £12 = О, Sq\2 = О; б) при £12 ^ О, др^ = О

      Изменение величины коэффициента вязкого трения £₁₂ не приводит к изменению частоты колебаний упругого момента М₁₂. Частота свободных колебаний двухмассовой системы составляет:


    О = Т⁴

ⁱ⁴12  ²12

с,, •(Тм,

C12 • У
ТМ2

(1.6)

Т • Т ' М1 ¹ М2

12

T T
² м 1 ум 2

T
¹ М 2

где    т12

C12 \тм 1 + Тм2) У'.. • Г

- постоянная времени свободных колебаний упругой

      двухмассовой системы;
      .. тм, + ТМ2             „                        ,   ,,
      у =----------- относительный момент инерции системы (коэффициент распределения
            тМ1
      масс в двухмассовой системе), 1 < у <<*>.
      В случае отсутствия демпфирования (/^2 ⁼ 0)амплитуда колебаний (рис. 1.2, а) равна:

2T
A _ ~УМ2
-^1 ?  __ _____
¹² T + T
²М1 т ² М2

(1-7)

       Если же Д₂ > 0, первый максимум переходной функции (см. рис. 1.2, б) наступает в
                 .  1
момент времени t =------, он составит:
                    20 ^“12

It=T
2

=е( t )= Тм ²
TM1 + TM 2

TM 2

2Т₁₂ 4ТДтД

4 T ²
⁴ т12
4T ² -T ²
⁴т12  тД

_1д_

   _ Тд Т12
    2 тЗ ²
• е ¹²

(1-8)

Т_Д ■ Т12
2 Т² 2     _                                ,
  ¹²   - огибающая затухающей переходной функции

■ e

Тм1

4 Т12 !

где  е (t p-TM²-
       T Тм 1 + T
     рис. 1.2, б.

TT ² ⁺т12

² _т² тД

Рисунок 1.3 - Расчётные трёх (а) и шестимассовые (б) схемы

41 “ Е





• е

      Совместное использование выражений (1.6) и (1.10) позволяет уточнить частоту и амплитуду собственных колебаний двухмассовой электромеханической системы для случаев, когда /1₂ > 0.

13

       Сложные механические системы при анализе процессов в их звеньях могут представляться расчётными схемами с числом масс, значительно большем двух (трёх-, четырёх-, пятимассовыми...). Расчётные схемы могут быть неразветвлёнными и разветвлёнными. Пример трёх и шестимассовой схем приведен на рис. 1.3.
       С целью типизации процесса построения структурных схем большой сложности, предлагается использовать в качестве элементарного блока систему, состоящую из двух масс. Такой подход позволит также проводить анализ систем высокого порядка по известным закономерностям, присущим двухмассовым системам.
       Выполнив несложные преобразования, для схемы рис. 1.1 получим рис. 1.4.

Рисунок 1.4 - Эквивалентная двухмассовая схема (элементарный двухмассовый блок)

      На базе эквивалентной схемы рис. 1.4 возможно составлять структурные схемы многомассовых систем. Приведём пример для случая четырёх расчётных масс (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 - Структурная схема нетырёхмассовой системы, набранная из элементарных двухмассовых блоков

      Чтобы выделить сигналы частот вращения каждой из масс, дополним структурную схему рис. 1.5 уравнениями движения:
' р^ =( M, - M,₂)рм ₜ;

                                               ...
■ РЧ=( M.-!,- Mₗₗ₊ₗ) /Гм,;

(1.9)

...
,РЧ. =(M„-ₜ,n - Mc )/Tm„ .
       Структурная схема, построенная с учетом выражения (1.8), дана на рис. 1.6.
       Очевидно, что чем больше расчётных масс учитывается в схеме ЭМС, тем более громоздкую получаем структурную схему. Её анализ затрудняется наличием перекрёстных связей.

14