Введение к работе
Актуальность теш. Мощные грейферные краны являются уникальными механизмами специального назначеній, используемыми, как правило, е роли промежуточного звена в различных ответственных технологических процессах для обработки сыпучих грузоЕ.
Эффективность Есего технологического процесса зависит от надежной и высокопроизводительной работы указанных кранов, которая в значительной степени определяется надежностью работы и динамическими качествами их главных электроприводов.
Совершенствование полупроводниковой выпрямительной техники за последние годы создало необходимые условия для широкого применения на.мощных кранах тиристорних преобразователей. Однако, несмотря на известные преимущества статических преобразователей перед электромашинным, весьма тяжелые условия эксплуатации кранового электрооборудования не позволяют считать проблему создания электроприводов главных механизмов грузоподъемных машин на основе полупроводниковой техники полностью решенной. Зтот еывод основывается на том, что тиристорные преобразователь, являясь сложным многокомпонентным устройством, характеризуется высокой вероятностью отказов, которые могут вызывать простои ответственных механизмов и снижение их производительности. Б выполненных разработках задача исключения простоев при отказах тиристорних преобразователей практически не ставилась, а основным путем их уменьшения полагалось повышение ремонтопригодности преобразователей.
В результате работ, проводимых на кафедре АЭП МЭИ с целью создания унифицированной системы электроприводов постоянного и переменного тока, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации, разработана гамма модульных тиристорних преобразователей ПТЭМ-1. Использование данных преобразователей благодаря их мо-ноблочности и безналадочности создает условия для практического исключения простоев машин при отказах электроники за счет резервирования. Вместе с тем, данные модули обеспечивают широкие возможности компановки различных схем электроприводов по системам ТВ-Г-Д, ТП-Д и НПЧ-АД в достаточном для приводов грейферных кранов диапазоне мощностей.
В данной работе, ориентированной на решение актуальной задачи совершенствования электроприводов действующего парка грейферних кранов путем модернизации, выявилась целесообразность сохранения рода тока применяемых электроприводов и решения проблемы на основе разработки рациональной системы управления, обеспечивающей улучшение динамических качеств электроприводов и повышение их надеяности работы. Анализ технической литературы показал, что решение задачи требуют проведения теоретических исследований динамики злектромеханігаеских систем привода механизмов кранов для разработки.реиений и практических рекомендаций, направленных на реализации требуемого быстродействия, ограничения динамических нагрузок, ограничения скорости приводов передвижения в режимах буксования.
ІІалга р^бот» яеляєтся разработка и исследование электроприводов основных механизмов грейферных кранов на постоянном токе с тиристорним управлением на основе современных тиристорних преобразователей, предназначенных для работы в тяжелых условиях, обеспечивающих повышение производительности крана путем увеличения быстродействия главных"приводов и повышения ка-деакости их работы, при надежном ограничении динамических нагрузок е механической части крана.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
I. .Модернизация электроприводов осноеных механизмов руд-нс-уголького перегружателя по системе ТВ-Г-Д на базе модульных тиристорних преобразователей ПТЭМ-1?.
?.. Разработка на базе преобразователей ПТЭ'.1-1Р электропривода основных механизмов грейферных кранов по системам РИТ-Д и ТП-Д.
3. Исследование на аналогией модели динамических свойств
главных электроприводов грейферних кранов по системам РПТ-Д и
ТП-Д, а также процессов буксования при работе механизма пере
движения грейдерной телелскн с целью обоснования Еіібора системы
и разработки рекомендаций, направленных на ограничение динамических нагрузок механизмов и скорости двигателей.
4. Промышжнлис испытания главных электроприводов рудно-
угольного песогрунателя по разработанной системо ТП-Д на осно-
еє птг:.ї-і?.
Методы исследовании. Результаты работы получены на основании теоретических и экспериментальных методов исследования. Использованы методы теорій электропривода, теории автоматпчас-кого управления, дифференциальное и интегральное исчисление, моделирование на аналоговой модели. Теоретические результаты подтверждены экспериментами на рудно-уголъном перегрукателе грузоподъемностью 32 т Краматорского металлургического завода.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах:
-
Разработана-унифицированная структура электропривода для главных механизмов грейферных кранов по системе ТП-Д.
-
Разработаны математические описания главны^ электроприводов грейферных кранов по системам ТП-Д и РИТ—Д.
-
Исследованы на аналагоЕоп" модели процессы буксозангл ведущего колеса электропривода передвижения тележки по система. ТП-Д и РПТ-Д, даны рекомендации, ограничнваицие скорости двигателей в этих режимах.
-
исследованы на аналоговой модели процессы взаимовлияния электроприводов подъема и замыкания по системе РКТ-Д при последовательном включении их двигателей, даны рекомендации уменьшающие динамические ошибки по скорости при работе обоих приводов.
Практическая ценность и реализация работы состоит в следующем:
-
В результате модернизации главных электроприводов руд-но-утольного перегружателя грузоподъемностью 32 т Краматорского металлургического завода по системе ТЗ-Г-Д на базе модульных преобразователей ПТЭМ-IP практически полностью исключены простои крана по вине электроники, увеличено быстродействие электроприводов и тем самым повышена производительность крана в целом, формированием плавных и равномерных переходных процессов ограничены динамические нагрузки механического оборудования крана.
-
Посредством промышленных испытаний главных элоктропрн-еодов указанного перегружателя по разработанной в данной работе на основе модульных преобразователей ПТЭМ-1Р системе ТП-Д показаны ев широкие возможности по удовлетЕореіпда практически
есєх требсрзний, предъявляемых к главным электроприводам грейферных кранов и доказана перспективность ее применения на указанных механізмах.
Лгтооба?і:;я пиботы. Научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры АЭП ;,ЭИ (Москва, <.ІЗ'Л, ноябрь IS83 г., март IS9I г.).
Пуб-т^ц-п-. Основное содержание работы нашло отражение в двух печатних работах.
Стпу7'т>'пг. и р(Че:: работа. Диссертационная работа состоит из 2ЕЄД5ІИЯ, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, приложений. Общий объем работы составляет 19.9 страниц.
содігрїлйїї: РАБОТ.*
Зрєдокпс содерлепт обоснование актуальности теш, обзор публикаций но данной теме, определение осноеной цели работы и конкретна: задач по ее выполнению.
Б не ивой глеве приводится анализ цикла работы грейферных кранов по перегрузке сыпучих материалов. С .учетом устройства механической части указанных кранов, тяяелых режимов работы и неблагоприятных условий окружающей среды сформулирован комплекс требований, предъявляемых к электроприводам ссноеных механизмов грейдерных кранов, важнейшими из которых яеляются: формирование стабильной и разномерной кривой изменения скорости Cd~{(t) с поддерганием ускорек:-ч приЕодог на допустимом уровне = $<,„= = con-bt независимо от статических нагрузок приводов, обеспечение синхронности скоростей прпЕодоЕ подъема и замыкания грейфера при подъеме (спуске) пороянего грейфера, достижение равномерного распределения нагрузок меэду приводами подъема и замыкания в режиме подієш (спуска) груженого грейфера использованием простых и эффективных средств, надежное ограничение ,\2ксималькых усилий электроприводов при их стопорений за счет формирования экскаваторных характеристик, обеспечение равномерного распределения нагрузок между приводными двигателями механизма передвижения телєяки, поеьшєниє надежности и бесперебойности работы главных электроприводов грейферных кранов и т.д.
Рассматриваются система электроприводов, применяемые в настояцее еоємя на мощных грейферних кранах. На основе материалов промышленных испытаний главных электроприводов руд-но-утольного перегружателя грузоподъемность» 32 т типа Ш - 5,2 + 50,0 + 17,0 - 32 Краматорского металлургического завода со штатной системой ТВ-Г-Д, с промежуточными магнитными усилителями в роли регуляторов напряжения и тока якоря проанализированы качественные, количественіше и технико-эко-номические показатели указанной структуры. На основе этого анализа и опыта эксплуатации крана за период с 1985 по 1937 гг. показана низкая надежность работы электроприводов ввиду несовершенства применяемой структуры и некачественного удовлетворения требований, предъявляемых к глазным электроприводам перегружателя.
На отдельных примерах применения системы ТД-Д на различ
ных мощных ответственных кранах показано, что в практических
реализациях указанной системы отсутствует возможность формиро
вания оптимальной стабильной кривой CO-f(t) независимо
от нагрузки приводов (хотя в литературе есть упоминание о воз
можности применения задатчика интенсивности), с исключением
возможных зон их неуправляемости при подаче сигнала задания
скорости по линейному закону. Вместо с тем, ремонт и профилак
тика используемых в рассмотренных примерах тиристорних преоб
разователей должны осуществляться' прямо на кране, что при от
казах электроники приводит к значительным простоям крана на
время нахождения и устранения неисправности, которое в зависи
мости от сложности неисправности и уровня квалификации обслу
живающего персонала может колебаться в вироких пределах. По
следнее обстоятельство может свести на нет прегалущества, полу
чаемые в результате применения современной полупроводниковой
техники.
Исходя из вышеизложенного, обосновывается рациональность построения разнообразных систем электроприводов, Еключащих в сбою структуру тиристорные преобразователи, на базе разработанных на кафедре АЭП МЭИ модульных тиристорних преобразователей типа ЯТЭМ-1? моноблочного исполнения. Данные преобразо-
ватолі; обладают euookh!.;:i удельным! і,іассо-габаритнц:.и показателями (2 + 2,5 кЗт/кг, 1,5 * 2,0 кВт/дм3), имеют гарантированные аналогично электрическим ьапинам характеристики, обладают повышенной надежностью и допускают бозналадочную замену резервными е течо: :є 8+15 минут, снабжены простой и элективно Г: самодиагностикой.
Указанные качества моноблоков ЇЇТЗ'.і-ІР позволяют контроля -ровагь неисправности и в случае необходимости заменять еышэд-сле 313 строя моноблоки исправными низкой квалификации, сеєдд при этом время простоя крана до требуемого для замены блоков и тем саг.гім.обеспечивать бесперебойную работу крана в целом при виходе ::з строя электрокики.
Вместе с тем на пути повышения' надежности работы крановых электроприводов на основе тиристорних преобразователей отмеченные Еыпе меры исчерпывают далеко не есє возможности. В этой сея-зи,наряду с традиционней системой ТП-Д, обосновывается целесообразность рассмотрения систем электроприводов на основа нереверсивных силовых тиристорних преобразователей, позволяющих управлять двигателем постоянного тока по цепи возбуждения. Выбрана система регулируемый источник тока - двигатель (РПТ-Д), обеспечивающая непрерывное управление двигателем при питании цепей нореверсивгами, а цепей возбуждения реверсивными тиристорними преобразователя!.;!:.
Бтопая глава посвящена разработке и исследований на аналоговой модели электроприводов осноеных механизмов грейферных кранов по системо РІЇТ-Д на основе тиристорного преобразователя ПГЭМ-I. В глзес даются рекомендации компановки силовых схем электроприводов с учетом величины напряженім питающей сети, спо-собой токопсоведа к крану, возможности установки силовых разде-лителышх трансформаторов и других йактороє. Приводятся исходные варианты силовых схем рисі, с мнг'чмалъным количеством тиристорних модуле" на основе которых возмокно построение силовых схем требуемой меткости и кокоіггурацил.
Для обеспечения необходимого быстродействия электроприводов по систем? РЇ'ЇТ-Д для цепей возбуждения крановых г.лектродвп- -гателей постоянного тока серп: Д (в диапазоне от 5С0 кВт до 105 кЗг) приводится расчетные данные, яоззоляшие определять
-380&
С-ббОвГ
Hh
і"
И \Ш ЗдОв 16603 >ббОа І н,
220в (4ЬОв)<Л
220t гй2)[Ш)&)
Щя [ЗЄ0в.ббОв) ШаІбШ'ббОв/
5}
-ffh
~ЗвОв (~660s)
Dp
'ТП2
-ЗбОв f-бБЯв)
ТП1\
А тор
УП2
I _J
-580s _^ (-660s) -W-
J^&Z20a
Ь)
{440ej
41 -.TOP
(440s) (Шъ)
Тл(а ma 'Phs ззов
I щ
1m
7/74
ИТ]
^-^2206 ^~^220в~^-^220а ^-^220в (44a; (440b « fl-fc7a) /WsJ
Рисі.
требуемый ;-;огг;:.:гі-і9,-:т ^орсяроЕКИ Kf-lAt-mKc/Ua-n с учетом і:ос1';.::цпскта касыщошк магнитной цеп:: двигателя Кик по еы-
Здесь: fs - требуемое время нарастания потока двигателя до номінального значення, Тов - постоянная времени обмотки возбуждения двигателя.
Предложены возможные варианты схем питания цепеі: возбуждения го нулевым и мостовым схемам Еыярямленпя с обеспечением форспровок ОТ Кф = 2 до Kf = 8.
Ка рис.2 показана разработанная схема управления электропривода;.!:! по системе РІ'ГГ-Д, где отсутствие задатчика интенсив-кости объясняется инерционностью цепи возбуждения, основного канала управления скоростью двигателя, обесдечиваюлая требуемую плавность переходных процессоЕ. Посредством узла задания тока якоря УЗТуі происходит регулирование тока якоря в функции еыходнсго сигнала регулятора скорости PC.
Для расчета параметров систеш предложена методика, основанная на известных из теории электропривода положениях способа последовательной коррекции параметров систеш. При синтезе регулятора тока возбуждения учитывается влияние вихревых токов.
Вторая часть данной главк пооЕяцена исследованию на аналоговой модели главных электроприводов грейферных кранов по системе РИТ-Д па примере конкретного рудно-угольного перегружателя завода Ю13.
.Моделирование электроприводов подъема и замыкания проведено по схеме с последовательно Еключенными якорями двигателей при их питании от общего источника тока и регулировании тока якоря также от общего УЗТЯ в гункции задания тока, максклаль-еого по абсолютному значению в текущий момент времени (выходной сигнал PC того или иного привода).
Б результате исследований определены пути достижения ус-той"г~ой работы электроприводов и устранения колебаний тока які, ' :. скорости приводов.
Разработана методы устранения просадок скоростей приводов под влиянием активного момента груза и обеспечению необходимых
Рис.2.
Рис.3.
динамических качеств приводов при приемлеглдс для практики коэффициента 5орс:іровки процессов возбуждения Kj. = 2 + 4 ввиду длительного нарастания пускового момента двигателя в системе РиТ-Д.
БыяЕлен механизм возникновения динамических ошибок по
скорости приводов при регулировании тока якоря, в случае их
совместной работы. Показано, что ограничением dHji/ult
путем ограничения dUzre/d-t , выходного сигнала PC, при
его подаче на УЗТЯ через фильтр, возможно уменьшеїше динамической ошибки по скорости. Для случаеЕ Кф = 2 и &р = 4 определены значения постоянных времени фильтра Тр , при которых озпбкп по скорости меньше I0/J номинального значения.
В модели привода передвижения тележки четыре независимых колеса с индивидуальным пэиеодоы представлены в виде дЕух колесных пар, кавдая из которых приводится в движение от одного двигателя, эквивалентного двум реальным. 3 процессе моделирования учитывалась возможность буксованш ведущих колес в связи с работой крана на открытом Еоздухе. Для этого условие сцепления колес с рельсом определялось моментом сцепления колес с релъ-соіл /^сч пропорциональным силе сцепления. При этом движение тележки и одного кэ колесных пар описываются следующими выражениями:
где: при дио = (оО-(Х>т)<0,і* - MU-Кі ^^>'і
при од*< aw < i,os ми=МсЛ-лп-К1ли>}
при I,0K< &сО M«=ALi-n - КзАъ)-
здесь: СО, ; и>т - скорости первой колесной пары и тележки; Ґі'счі^"^ ~ М0!"екти сцепления первой и второй колос-' кых пар; Mf }П,г)Мс - момент двигателя первой колесной пары,
упругий момент каната и статический момент сопротивления; Зт )3П - суммарна?, момент инерции тележки и первой колесной пары.
.Моделирование показало, что любне динамические качестра привода телекки легко реализуема даже при Кф = 2 подбором соответствующих пределов регулирования тока якоря.
В результате исследования процессов буксования одного из ведущих колес выявлена обратнопропорцпояальная завпсн:.:ость скорости буксующего колеса от максимума функции Mcu,=f(uco) При этом величина скорости буксующего колеса определяется выражением {в случае буксования одного из них):
"'" К-ф . - (I)
где: Етп - ЗДС .якорного источника тока;
Ef- - ЗДС двигателя каждого из небуксующих колес (они предполагаются равными);
ч*> 5 }яі— ток, постоянная времени н суммарное сопротивление якорной цепи; К - конструктивная постоянная двигателя; р - текущее значение потока для каждого двигателя.
'Из (I) еидно, что пси особо неблагоприятных условиях скорость буксующего колеса может увеличиться до значения 4,0сон
Для ограничения скорости буксующего колеса было разрабо
тано устройство защиты от буксования, контролирующее скорости
или ЭЕС пригодных двитателей. Приме но кие данного устройства
надешо ограничивает скорость буксующего колеса па допустимом
уровне, в результате рассогласования скоростей буксумщего ко
леса и тележки не превышает 0,1и>н при значениях коэффи
циента усиления устройства Кгрр = 40 * 60, при разных зна
чениях максимума функции Нсл-Н&<Л) (рис.3 ). '
Третья глава посвящена разработке и исследованию электроприводов основных механистов грейферних кранов по системе ТП-Д на основе тиристорного преобразователя ПТЭ.М-ГР.
S данной работе в качестве основного технического решения принят электропривод по системе подчиненного регулирования тока якоря и напряжения двигателя с применением для увеличения .~ест-костк характеристики привода положительной обратно" связи по току якоря, Еодзваемьй на регулятор напряжения. Принпиппальная
схема электропривода по системе ТП-Д на основе тиристорного моноблока ІЇГЗМ-ІР представлена на рис.4 , где на вход системі подключен зависимый' задатчик интенсивности, поддерживающий ускорение привода на допустимом уровне независимо от нагрузки привода.
Дани рекомендации по компановке силовых схем электроприводов ка основе исходных схеїл, представленных во второй главе при применении реЕерсиЕпізс моноблоков.
Предложена упрощенная методика расчета параметров систе
мы на основе известно": из теорій электропривода методики по
следовательной коррекции но которол при критической коэффици- '
енте положительной связи по току Кпг = Кет/Кн синтез ре-
гулятор;-, тока якоря осуществляется традиционным путем и имеет передаточную функція) ГИ звена
Синтез регулятора напряжения осуществляется аналогично регулятору скорости для случая обратной связи по скорости и имеет следуацую передаточную функцію
, / _ Кот' Зт
W'"~ 2Т,„-Ьи~-С
где Іі.н=7І+27^ накомпепскруемая постоянная времени рав-
ная сумме постоянной времени фильтра обратной связи но напряжению Tf и постоянной Бремени контура регулирования тока якоря 2.Т/К.
Проанализированы методы ЕнравниЕания нагрузок между приводами подъема и замикання, при подъеме груженого грейфера для случая питания двигателей приводов от индивидуальных тиристорних преобразователей. Рекомендован простой и эффективный способ выравнивания нагрузок путем формирования у приводов идентичных жестких электромеханических характеристик, смягчающихся е зоне болъснх нагрузок, .соответствующих подъему груженого грейфера.
Во Еторой части главы приведены исследования на аналоговой модели главных электроприводов грейферных краноЕ по системе ТП-Д на примере упомянутого рудно-угольного перегружателя.
Рис.4.
:il\
Ktia'
""" Ill
Pkc.5.
,16
В результате исследования динамических свойств главных злектропрпводоз грейферній кранов показана иирокие еозшянос-т:і даккой системи ТП-Д по йормпровашш оптимальных переходных прсцессоЕ е удовлетворению требованиям, предъявляемым к указанны;.! электроприводам.
Показана г^-эхтпвкость предложенного метода выравнивания нагрузок ме:кду прКЕодаг.и подъема к замыкания, что иллюстрируется осциллограммой на ряс.5 процесса черпания груза и дальнейшего его подъема обоими приводами, который характеризуется отсутстві:ем колебаний і: бросков tokoe якорей и удовлетворительна.; распределением нагрузок медку приводами на уровне 0,07^
Исследованы процессы буксования в системе ТП-Д при последовательно;.; соединении приводных двигателей. Разработано устройство защити о" буксования, позволяющее ограничивать рассогласование скоростей буксующего колеса и те легки с точностью аналогичной полученной н указанной выше для системы РИТ-Д.
Б чотрргтой тлзве приведены материалы промышленных испытан::;": главных электроприводов рудно-угольного перегружателя завода К.З по системам ТВ-Г-Д и ТП-Д на базе моноблочных ти-ристорікх преобразователей ПТЗ.\:-1?-1 и ПТ32-ІР-3.
Главные электроприводы рудно-уголъного перегруяателя грузоподъемностью 32 т КЛЗ были модернизованы в 1983 г. по системе ТВ-Г-Д со структурой, разработанной на кафедре АЗП ЩИ Анализ материалов испытания главных электроприводов показал, что е системе ТБ-Г-Д возможно формирование переходных режимов высокого качества с равномерны:;! изменением скорости приводов и отсутствием резких колебаний токов^якорей при их надехком ограничен:::! в динамических рекетах. Это иллюстрируется осциллограммой характерного цикла работы крана, приведенной на рис.6, показиваки;,ей и эффективность Еираі-ниван;ія нагрузок между прпЕодыли подъема и замыкания путем формирования у приводов эдзнтичных жестки, характеристик, смягчающихся в зоне больших нагрузок, соответствующих подъему груженого трейдера.
Опытом эксплуатации указанной структуры с 03.1933 г. по Со.1990 г. подтверждены ее высокие регулировочные показатели, стабильность статических и динамических характеристик. Доказа-
"ГСГ Ли-
ZStZft
JE
SV-
у\ //V- '
V"
7ІК V4
Рис.6.
;j i:a.7. на рациональность использования в качестве возбудителей моноблочна безналадочнах тиристорних преобразователей. Статистические исследования подтвердили, что при допустимом Бремени восстановления работоспособности приводов крана, равном 15 мин., применение преобразователей ПТЗ.М-ІР исключает простои крана при отказах электроники. Разработанная в данной работе структура системи ТП-Д на базе ПТЭ;.1-1?-3 была смонтирована и испытана в 1990 г. на глав-них электроприводах рудно-угольного персгрукателя К.ІЗ. Анализ материалов промышленных испытаний подтвердил результаты теоретических исследовании на аналоговой модели главных электроприводов перегружателя. Доказана также эффективность разработанной методики расчета параметров системы. Показанная на рис.7 осциллограмма работы пєрегрукателя е цикле погрузки передаточного вагона иллюстрирует высокие качества переходных процессов, плавность изменения тока и скорости приводов. Показано, что описанный способ выравнивания нагрузок между приводами подъема эффективен и в системе ТП-Д, где разброс токов якорей составляет до . 40 А против допустимого 150 А, Сравнительный анализ материалов промышленных испытаний систем ТВ-Г-Д и ТП-Д свидетельствует о том, что при разработанной структуре системы управления требуемое быстродействие и качество регулирования координат в обеих системах реализуются без технических трудностей. Выбор системы ТП-Д в тяжелых условиях эксплуатации рудно-угольных перегружателей определяется Еажными в этих условиях преимуществами этой системы - меньшими массой и габаритами преобразователя, отсутствием вра-. щаюцкхся частей и щеточного контакта, исключением простоем при Еыходе преобразователя из строй и т.п.Похожие диссертации на Разработка электропривода основных механизмов рудно-грейферных перегружателей
