Обоснование и выбор структур управления электроприводами исполнительных органов горных машин в энергосберегающих режимах

Актуальность работы. В последние годы энергосбережение является одним из приоритетных направлений технической политики во всех развитых странах мира. Это связано с ограниченностью всех основных энергоресурсов, с непрерывно возрастающими сложностями их добычи и соответственно стоимостью.

Известно, что при производстве горных работ доля затрат, связанных с энергопотреблением, составляет 30 -50% в себестоимости продукции, отсюда следует, что реализация в горнодобывающей отрасли организационных и технических мероприятий по энергосбережению может привести к заметной экономии топливо — энергетических ресурсов.

В настоящее время на карьерах и разрезах до 70−80% объемов бурения выполняется шарошечными станками. Потери мощности в трансмиссиях главных механизмов современных буровых станков подчас достигают 2040% как для электроприводов постоянного тока, так и для объемных гидроприводов, выполненных по традиционной схеме.

Буровая штанга представляет собой систему с распределенными параметрами, которая является источником продольных и поперечных колебаний. Упругие усилия, возникающие при этом, для большинства машин и механизмов являются нежелательными, т.к. приводят к дополнительным динамическим нагрузкам. Для механизмов вращателей буровых станков эти упругие колебания желательно использовать как дополнительный источник механических воздействий, направленный на разрушение горных пород при бурении. Решение такой задачи позволяет сформировать энергосберегающую технологию, при которой потенциальная энергия в буровой штанге не рассеивается в элементах электромеханической системы, а направляется на разрушение горной массы при бурении.

Процесс резания и разрушения горного массива является одним из энергоемких технологических процессов горного производства. Исследования в области энергосбережения средствами электропривода для такого класса горных машин с органами резания практически отсутствуют.

Поэтому обоснование и выбор структур управления электроприводами рабочих органов, обеспечивающих снижение электропотребления горных машин, является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка метода регулируемого резонансного режима в электромеханической системе (ЭМС), математической модели ЭМС и установление аналитических зависимостей для обоснования и выбора структур управления электроприводами рабочих органов, обеспечивающих снижение электропотребления горных машин.

Идея работы состоит в структурно-параметрической оптимизации систем управления электроприводами рабочих органов горных машин по критерию минимума потребляемой мощности.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод регулируемого резонансного режима в электромеханической системе рабочих органов горных машин, отличающийся адаптивностью к частотам возмущения.

2. Математическая модель системы управления электроприводом рабочих органов горных машин, учитывающая влияние резонансного режима в электромеханической системе на минимальное потребление электроэнергии.

3. Аналитические зависимости показателей резонансного режима от параметров системы управления электроприводами рабочих органов горных машин.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным применением математических методов, теории автоматического управления, теории электропривода, теории колебаний, методов имитационного моделирования, сравнением результатов аналитических исследований и имитационных экспериментов с данными экспериментов, достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми не превышает 15%.

Научная новизна полученных результатов исследования состоит:

— в разработке метода регулируемого резонансного режима в электромеханической системе для анализа систем управления электроприводами рабочих органов горных машин;

— в установлении закономерностей установившихся колебательных процессов в резонансном режиме, используемых для разработки структур управления электроприводами рабочих органов горных машин с минимальным потреблением энергии;

— в установлении влияния параметров системы управления на показатели регулируемого резонансного режима.

Научное значение работы состоит в разработке метода регулируемого резонансного режима в электромеханических системах для анализа систем управления электроприводами рабочих органов горных машин, который развивает теорию автоматического управления электроприводамиразработке математической модели системы управления электроприводом рабочих органов горных машин в регулируемом резонансном режиме, которая развивает теорию электромеханических системустановлении зависимостей показателей резонансного режима от параметров систем управления электроприводами рабочих органов горных машин.

Практическое значение работы заключается в разработке:

— рекомендаций по выбору рациональной структуры системы управления электроприводом механизма вращателя бурового станка, оптимальной по критерию минимума потребляемой мощности, позволяющей повысить эффективность эксплуатации электрооборудования.

— методики синтеза рациональной структуры управления электромеханическими системами рабочих органов горных машин, позволяющей сократить время проектирования и повысить эффективность наладочных работ.

Реализация результатов работы.

Рекомендации по выбору рациональной структуры управления электромеханическими системами по критерию минимума потребляемой мощности и методика синтеза рациональной структуры управления электромеханическими системами рабочих органов горных машин приняты к реализации в ОАО «Лебединский ГОК» (г. Губкин, Белгородская обл.). t.

Личный вклад автора.

Теоретические исследования электромеханических систем вращателя бурового станка с разомкнутой и замкнутой структурой управления в резонансных режимах.

Разработка модели рациональной системы управления электроприводом вращателя бурового станка с адаптивным регулированием резонансного режима с целью эффективного разрушения горной массы и минимального потребления электроэнергии.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы доклады вались и получили одобрение на научных симпозиумах МГГУ «Неделя горняка — 2005, 2006, 2007 «(Москва, 2005,2006, 2007) — VI1 Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», РГГРУ (Москва, 2005) — V Me-, ждународной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», РГГУ (Москва, 2006): на научных семинарах кафедры ЭЭГП МГГУ (2005;2007 г. г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 77 наименований, включает в себя 63 рисунка и 4 таблицы.

4.4 Выводы.

1. Результаты моделирования разомкнутой ЭМС вращателя бурового станка показали полную идентичность расчётным данным. Погрешность на некоторых частотах составляет всего около 1%.

2. Сравнительный анализ теоретических и имитационных исследований электромеханической системы вращателя бурового станка в структурах с замкнутым управлением показывает, что погрешность находится в области допустимых значений и не превышает 10−13%.

3. Экспериментальные исследования электромеханической системы вращателя бурового станка в структуре с замкнутым управлением показывают, что качественные показатели поведения координат в резонансном режиме соответствуют полученным теоретическим положениям.

4. Разработанная методика определения параметров электромеханической системы вращателя бурового станка позволяет получить оптимальные параметры рациональной структуры активного управления резонансными режимами по критерию минимума потребляемой электроэнергии.

5. Экспериментальные исследования электромеханической системы вращателя бурового станка с рациональной структурой активного управления резонансными режимами показывают, что качественные показатели энергоэффективности при этом соответствуют теоретическим расчётам, и общая экономия энергопотребления может достигать 30−35%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основе теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная задача по оптимизации структур управления электромеханической системы бурового станка по критерию минимума потребляемой мощности путем введения электромеханической системы в управляемый резонансный режим.

На основании исследований получены следующие результаты и выводы:

1. Обосновано снижение нагрузок рабочих органов буровых станков средствами регулируемого электропривода путем введения электромеханической системы в активный управляемый резонансный режим с целью обеспечения энергосбережения в технологических процессах разрушения горной массы.

2. Доказано, что для получения управляемого резонансного режима в электромеханической системе вращателя бурового станка с целью повышения эффективности разрушения пород наиболее рациональными следует считать структуры с жесткими обратными связями по скорости и току двигателя при статическом возмущающем воздействии, дополненные гибкой обратной связью по току якоря двигателя для настройки на резонансную частоту.

3. Разработанная математическая модель электропривода вращателя бурового станка с разомкнутой и замкнутой структурами управления позволяет в наглядной форме анализировать резонансные режимы электромеханической системы в процессе резания.

4.Установлено, что достаточно исследовать работу системы в резонансном режиме в основном на первой частоте собственных колебаний, определяемой параметрами электродвигателя, т.к. анализ двухмассовой ЭМС вращателя показал, что второе значение частоты собственных колебаний Qyn находится вне рабочего диапазона частоты возмущающих воздействий.

5. Получены аналитические зависимости параметров рациональной схемы управления в резонансном режиме от частоты возмущающих воздействий.

6. Разработаны математические модели рациональной электромеханической системы привода вращателя бурового станка, основанные на принципе адаптивности и применении микропроцессорной техники.

7. Определены условия реализации структур системы управления в регулируемом резонансном режиме.

8. Разработана методика синтеза рациональной структуры управления электромеханической системой рабочего органа бурового станка, оптимальной по критерию минимума потребляемой мощности, позволяющая определить параметры настройки на резонансную частоту с ограничением динамических нагрузок.

9. Рекомендации по выбору рациональной структуры управления ЭМС вращателя бурового станка приняты к реализации в ОАО «Лебединский ГОК», которые позволят обеспечить экономию потребляемой мощности до 30−35%.