Исследование динамических и энергетических процессов в электроприводе конвейера с применением математического моделирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование динамических и энергетических процессов в электроприводе конвейера с применением математического моделирования

Иванов Д.С.

Россия, г. Липецк, Липецкий ГТУ

В статье кратко описывается математическая модель конвейера и преобразователя частоты с ШИМ-модуляцией выходного напряжения. Приводится ряд задач, которые решаемых с помощью данной модели. Описаны результаты моделирования работы электропривода с конвейером на разных скоростях. Снятые зависимости демонстрируют снижение потребления мощности при уменьшении скорости с неизменным грузопотоком.

This article briefly describes mathematical model of pipeline and electric drive with pulse-wave modulation of output voltage. There is listed specific range of tasks that can be solved using this model. There is also described results of experiments based on simulation of operation of pipeline driven on different speed. Gathered dependences demonstrate decreasing consumption of electrical energy by reduction of speed when quantity of cargo isn't varying.

Главной задачей электропривода является передача нагрузочному механизму энергии с оптимальными параметрами, которыми является угловая скорость и вращающий момент. Во вторую очередь решаются проблемы энергоэффективности электропривода. В некоторых случаях обе перечисленные задачи являются взаимосвязанными и требуют комплексного подхода к их решению. К этим случаям относятся регулируемые электроприводы в которых угловая скорость может варьироваться, не влияя на технологический процесс, и тем самым изменять количество потребляемой электроэнергии. Большинство приводов конвейеров эксплуатируемых на производстве являются нерегулируемыми по соображениям простоты и низкой стоимости оборудования. Однако многие из них относятся к вышеупомянутой группе механизмов, скорость движения которых в некотором диапазоне не влияет решение транспортной задачи, выполняемой конвейерами.

В данной статье предлагается краткое описание реализации математической модели частотно-регулируемого привода на основе широтно-импульсной модуляции выходного напряжения и подробной математической модели подъемного ленточного конвейера с однодвигательным электроприводом в верхней и натяжной станцией в нижней части.

Математическая модель реализована в общем виде, т. е. может быть применена к конвейеру любой производительности путем введения ряда характеризующих параметров.

Применение такой математической модели позволяет решить следующие задачи:

1. Теоретическое подтверждение тезиса об энергетической эффективности снижения скорости привода недогруженных по массе конвейеров.

2. Исследование динамических процессов в приводе, обусловленных особенностями протяженных конвейеров, как особого типа нагрузки.

3. Сравнительный анализ динамических и энергетических показателей электропривода, с конвейером в качестве нагрузки, при пуске по различным типам кривых скорости и ускорения.

4. Исследование методов управления скоростью электропривода конвейера в зависимости от циклов нагрузки и вовлеченности в систему управления трактом.

5. Определение требуемого натяжения ленты в зависимости от типа электропривода, конфигурации конвейера и способа пуска.

Для разработки модели использовался математический программный пакет Matlab 7.11 и симулятор динамических систем Simulink 7.6. Структура модели электромеханической системы конвейера имеет блочное строение. Такой подход позволяет периодически запускать модель одного или группы элементов и своевременно выявлять ошибки, а так же анализировать степень влияния реализуемых сегментов модели на сходство имитируемых процессов с опытными данными.

Реальный конвейер представляет собой набор последовательно соединенных сосредоточенных масс роликов, барабанов, валов, роторов двигателей и участков ленты, представляющих собой объекты с распределенными параметрами (РП объекты). РП объекты сложны в математическом описании, а компьютерное моделирование реализуется разделением объекта на конечное число сосредоточенных масс, соединенных идеальными упруговязкими элементами. С увеличением числа масс повышается точность модели, однако снижается скорость расчетов. При моделировании РП-объектов общепринятыми являются следующие допущения:

а) силы и моменты, действующие в системе, приложены к сосредоточенным массам, которые не деформируются;

б) упругие звенья невесомы и характеризуются постоянной жесткостью;

в) волновым характером распространения деформации внутри сосредоточенной массы можно пренебречь.

Реальным прототипом модели является конвейер для загрузки извести в обжиговые печи с нерегулируемым электроприводом на базе асинхронного двигателя.

Проверочный расчет конвейера показывает, что для передачи груза с производительностью Q = 11 кг/с достаточно конвейера с шириной ленты в 2 раза меньше используемой.

Рис. 1 Схема конвейера

На основе математической модели конвейера с частотно-регулируемым приводом можно построить зависимости потребляемой мощности от скорости V и грузопотока Q, а так же сравнить их с вариантом нерегулируемого привода. Снятие необходимых значений производится в установившихся режимах.

На основании полученных данных можно заключить, что зависимости момента от скорости и массы груза на конвейере в первом приближении имеют линейный характер. Общий вид математической модели в Matlab Simulink представлен на рис. 2.

Анализ полученных данных показывает:

Рис. 2 Математическая модель электропривода конвейера

1) при постоянном грузопотоке Q для экономии электроэнергии необходимо снижать скорость двигателя. С точки зрения электропривода это объясняется тем, что при снижении частоты напряжения на двигателе необходимый момент привода можно обеспечить при более низком напряжении без увеличения тока.

2) применение регулируемого привода позволит сэкономить от 10% мощности в номинальном режиме и до 40% в малонагруженном, а так же повысить коэффициент мощности и потери в системе электроснабжения.

В качестве подтверждения полученных данных было проведено опытное исследование. В тракте загрузки "Закрытого склада угля и кокса", относящегося к комплексу современной доменной печи, применен конвейер с двухдвигательным приводом с плавным пуском на основе преобразователей частоты Altivar 71. Средствами технологического контроллера Quantum 671 и пакета визуализации Vijeo Citect 7.11 были сняты зависимости мощностей потребляемых преобразователями частоты из сети от скорости движения ленты при разных грузопотоках.

При снижении скорости до заметно снижается шум от двигателей и редукторов, а при частоте напряжения 40 Гц потребляемая мощность падает на 7%. Дальнейшее уменьшение при полном грузопотоке может привести к задеванию грузом коробов течек между конвейерами, что является недопустимым режимом работы.

На основании полученных данных можно сделать следующие выводы:

1) эффект от снижения скорости привода в первом приближении пропорционален глубине возможного регулирования, которая определяется изначальным процентом максимальной загрузки конвейера, т. е. чем меньше грузопоток по отношению к максимальному, тем выше целесообразность применения регулирования скорости;

2) при работе в холостую, когда полная остановка невозможна по причине взаимных блокировок со смежными механизмами снижение скорости значительно экономит электроэнергию.

Помимо прямого эффекта в виде экономии электроэнергии замена привода на регулируемый позволяет снизить динамические нагрузки в редукторах, подшипниках, ленте и исключить 5-7 кратные номинальным броски тока в электросетях, а так же снизить уставки на питающих подстанциях, что упрощает обеспечение селективности защиты и снижает вероятность выхода из строя элементов энергосистемы, а в проектных решениях снижает стоимость КРУ.

электропривод конвейер скорость нагрузка

Литература

1. Вайнсон А. А. Подъемно-транспорные машины: Учеб. Для вузов [Текст]/ А. А. Вайнсон - М.: Машиностроение, 1989.- 536 с.: ил.

2. Борцов Ю. А., Соколовский Г. Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями: Производственное изд. [Текст].- 2-е изд., перераб. и доп.- СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербург. отд-ние, 1992.- 288 с.: ил.

3. Зеленский О. В., Петров А. С. Справочник по проектированию ленточных конвейеров. Справочник специалиста [Текст].- М.: Недра, 1986.- 223 с.: ил.

4. Рассудов, Л. Н. Электроприводы с распределенными параметрами механических элементов: Производственное изд. [Текст]/ Л. Н. Рассудов, В. Н. Мядзель.- Ленинград: Энергоатомиздат, 1987.- 144 с.: ил.

5. Шрейнер Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты.- Екатеринбург: УРО РАН, 2000.- 654 с.: ил.

Иванов Дмитрий Сергеевич, аспирант кафедры электропривода г. Липецк ул. Красная, д. 65 инд. 398020 ivanov_d_s@mail.ru, тел. (4742) 40 07 85

Размещено на Allbest.ur