Разработка и исследование систем электроприводов, обеспечивающих бесперекосное движение мостовых кранов

Актуальность. Из всего многообразия общепромышленных механизмов, работающих на металлургических предприятиях, можно выделить группу, для которой особенно остро стоит проблема чрезмерно высокого уровня динамических нагрузок. В такую группу оборудования промышленных предприятий в первую очередь входят подъемно-транспортные механизмы: мостовые и козловые краны, крановые перегружатели, транспортеры, конвейеры, питатели и т. д. Среди этих механизмов в наиболее тяжелых условиях и интенсивных режимах работают мостовые краны. Основными причинами динамических перегрузок этих механизмов являются интенсивные повторно-кратковременные режимы работы в сложных условиях окружающей среды металлургического производства, наличие упругих механических колебаний системы и упругих механических связей с зазорами, а также несовершенство применяемых систем электроприводов. Многочисленными исследованиями установлено, что упругие механические колебания в подавляющем большинстве случаев отрицательно влияют на работу электропривода, вызывая повышение динамических нагрузок, снижение точности работы механизма, появление механических вибраций и опасных резонансных явлений. Возникающий при этом чрезмерно высокий уровень динамических нагрузок, особенно при пусках, реверсах и торможениях ведет к преждевременному выходу из строя элементов механизмов кранов и подкрановых конструкций.

При исследованиях, посвященных проблеме снижения динамических нагрузок было установлено, что самым эффективным способом снижения динамических нагрузок, а следовательно, повышения долговечности механизмов передвижения кранов и подкрановых конструкций является модернизация существующих схем электроприводов и внедрение новых, которые обеспечивают снижение разницы в скоростях передвижения опор крана. Также следует отметить, что при определенных сочетаниях параметров, благодаря взаимодействию электрической и механической частей, электропривод эффективно демпфирует упругие механические колебания, существенно снижая динамические нагрузки в кинематических цепях.

Основным типом электропривода для механизмов передвижения кранов является электропривод на основе асинхронного двигателя с фазным ротором (АД ФР) при реостатном управлении с помощью силовых контроллеров или простейших релейно-контакторных схем. Недостатки таких схем управления общеизвестны. Во-первых, переключение ступеней пусковых сопротивлений в процессе разгона двигателя вызывает скачкообразные изменения его момента и броски токов в больших пределах, что усугубляется при снижении числа ступеней. Это может явиться причиной возникновения упругих механических колебаний и нарушить плавность протекания переходных процессов. Во-вторых, при использовании систем многодвигательного электропривода для мостовых кранов с относительно большим пролетом (25-ИО метров) не одновременное замыкание контактов релейно-контакторной схемы приводит к различным ускорениям каждого АД ФР, что вызывает дополнительные динамические нагрузки в механизмах и металлоконструкции крана, и, в конечном счете, к снижению производительности и преждевременному выходу из строя элементов крана. Использование релейно-контакторных схем управления, в первую очередь, обусловлено условиями работы мостовых кранов: троллейная система питания, высокое содержание электропроводящей пыли, влажность, загазованность, высокая температура и ее резкие колебания по длине пролета, высокая интенсивность работы крана, характеризующаяся большой продолжительностью и частотой включений.

В связи с тем, что главную роль в создании условий высокой производительности подъемно-транспортного оборудования отводится электроприводу, то с учетом сложной специфики работы такого оборудования необходимо отдавать предпочтение простым и высоконадежным системам электроприводов. Электропривод подъемно-транспортных механизмов для обеспечения заданных эксплуатационных показателей должен выполнять все предъявляемые к нему требования и обеспечивать высокую надежность работы оборудования. В настоящее время существуют два пути совершенствования кранового электропривода. Первый путь — это внедрение на крановые механизмы современных автоматизированных электроприводов на базе асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, построенных по экономичным принципам частотного управления. Однако, как показала практика, такие электропривода в сложных условиях эксплуатации металлургического производства не обеспечивают надежной работы оборудования и не оправдывают своей высокой стоимости. На сегодняшний день во многих случаях стремятся идти по второму пути — совершенствованию кранового электропривода в рамках модернизации существующего электрооборудования при использовании АД с ФР. Во — первых, это связано с относительно низкими затратами на совершенствование схем управления электроприводов, а во-вторых, надежность работы АД с ФР доказана многолетним опытом эксплуатации. Стремление максимально упростить крановый электропривод привело к применению индукционных резисторов (ИР), включенных непосредственно к выводам роторной обмотки, тем самым, исключив из системы управления асинхронным двигателем с фазным ротором громоздкую и ненадежную релейно — контакторную схему. Нелинейность сопротивления индукционного резистора, которое зависит от величины и частоты тока протекающего по обмотке ротора, позволило получить механическую характеристику экскаваторного типа, ограничить пусковой ток двигателя, и осу-, ществлять разгон электропривода с постоянным динамическим моментом.

Тем не менее, следует отметить, что внедрение как новых, так и модернизированных электроприводов с одной стороны должно быть направлено на устранение основных факторов, вызывающих чрезмерные нагрузки в элементах механического оборудования, влияющих на работоспособность и производительность мостовых кранов, а с другой должно быть экономически целесообразным.

В настоящее время одной из основных причин ранних отказов работы мостовых кранов является интенсивный износ реборд ходовых колес и рельсов подкранового пути из-за постоянных соударений и контакта в процессе движения. Поэтому совершенствование систем электроприводов с целью повышения производительности за счет снижения динамических нагрузок и улучшения динамических свойств механизмов передвижения мостовых кранов должно быть направлено на устранение всех причин, вызывающих контакт реборд колес с рельсами подкранового пути. При этом нельзя забывать и о динамических процессах, проходящих в механической части привода электромеханической системы (ЭМС) передвижения мостового крана, которые оказывают существенное влияние на качество работы подъемно-транспортного оборудования. В ранее проведенных исследованиях отмечалось, что оптимизация электропривода по быстродействию с целью увеличения производительности механизмов, осуществляемая за счет формирования переходных процессов без учета динамики механической части привода, часто является причиной преждевременного выхода из строя механического оборудования и его аварийных простоев. В конечном счете, достигаемый эффект повышения производительности может быть сведён к нулю. В связи с этим, решение проблемы снижения динамических нагрузок и улучшения динамических свойств ЭМС с учетом сложных, противоречивых и своеобразных требований, предъявляемых к электроприводу механизмов передвижения мостовых кранов, представляет собой сложную и весьма важную для практики задачу. Для решения этой задачи требуется детальное изучение условий совместной работы ЭМС «электропривод передвижениямостовой кран». Настоящая работа посвящена проблеме снижения динамических нагрузок с помощью относительно простых и надежных (по сравнению с частотно-регулируемыми) систем электроприводов с АД ФР механизмов передвижения мостовых кранов путем обеспечения, так называемого, бесперекосного движения мостового крана по рельсовому пути, т. е. устранения причин, вызывающих упругие динамические усилия в металлоконструкции крана, как при свободном его движении (когда ни одна реборда не касается головки рельса), так и при контактах реборд колес мостового крана с рельсами подкранового пути, тем самым повысить износостойкость не только элементов ходовой части крана, но и подкрановых путей.

Целью работы является снижение динамических нагрузок в электромеханической системе передвижения мостовых кранов с помощью электроприводов, обеспечивающих их бесперекосное движение.

Идея работы заключается в разработке системы управления электроприводами, обеспечивающей бесперекосное передвижение мостового крана, путем регулирования скорости электродвигателей механизма передвижения в функции поперечного смещения ходовых колес с применением индуктивных датчиков, осуществляющих контроль их поперечного смещения относительно рельсов подкранового пути.

Задачи работы:

— составление математической модели движения мостового крана по рельсовому пути, учитывающей поперечное смещение и поворот крана в пределах зазоров между ребордами колес и рельсами подкранового пути;

— составление математических моделей систем электроприводов согласованного вращения на базе асинхронных двигателей с фазным ротором;

— исследования влияния параметров электропривода на динамические свойства электромеханической системы механизма передвижения мостового крана;

— анализ причин возникновения динамических нагрузок в механической части мостового крана на основе полученных уточненной математической модели мостового крана и математических моделей систем электроприводов;

— исследование особенностей движения мостового крана с ходовыми колесами различного профиля при использовании различных систем электроприводов с целью определения факторов, влияющих на поперечное смещение и поворот в пределах зазоров между ребордами ходовых колес и рельсами подкранового пути;

— разработка системы управления асинхронным электроприводом, обеспечивающей бесперекосное перемещение мостового крана по рельсовому пути.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались методами теории автоматического управления, методами численных и аналитических решения дифференциальных уравнений, методами математического моделирования динамических процессов на ПК, методами моделирования ЭМС с упругими связями и зазорами в передачах, методами экспериментальных исследовании на лабораторных установках. В теоретических исследованиях использовались положения и методы теории электрических машин, теории электропривода, теории устойчивости движения, теории матриц, теории оптимального регулирования.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

— составлена трехмассовая математическая модель движения мостового крана по рельсовому пути, отличающаяся от известных учетом упругого скольжения вращающихся колес относительно рельсов, а также учетом поперечного смещения и поворота в горизонтальной плоскости мостового крана в пределах зазоров между ребордами колес и рельсами подкранового пути.

— получена универсальная характеристика максимальной демпфирующей способности параллельной электромеханической системы (двухдвигательного электропривода, соединенного упругой механической связью), свидетельствующая, что максимальная демпфирующая способность ЭМС зависит только от жесткости упругой механической связи между электродвигателями;

— получены аналитические выражения, показывающие, что при определенных сочетаниях параметров параллельной ЭМС, в ней будут протекать переходные процессы апериодического характера;

— разработана методика расчета индукционного сопротивления, отличающаяся от известных тем, что она позволяет определить параметры индукционного сопротивления, для заданной величины пускового момента асинхронного двигателя, исключая циклический алгоритм последовательного приближения к требуемой величине;

— разработана система управления асинхронным электроприводом, отличающаяся от известных аналогов применением индуктивных датчиков контротроля поперечного смещения колес, обеспечивающая бесперекосное перемещение мостового крана по рельсовому пути.

Практическая значимость работы:

— получены универсальные зависимости, позволяющие определять оптимальные зоны изменения параметров электропривода параллельной ЭМС по критерию минимума колебательности в переходных режимах;

— разработана система управления двухдвигательным электроприводом, обеспечивающая бесперекосное движение мостового крана при минимальных динамических нагрузках, позволяющая повысить долговечность работы механизмов передвижения кранов и подкрановых конструкций.

Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением результатов математического моделирования, учитывающим нелинейность элементов электропривода, с результатами экспериментальных исследований (относительная погрешность не более 5%), а также с положениями общей теории электропривода.

Реализация результатов работы. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в процессе проведения пуско-наладочных работ при модернизации электрооборудования подъемно-транспортных механизмов в цехах ОАО «Новолипецкого металлургического комбината». Ожидаемый экономический эффект за счет снижения затрат на техническое обслуживание и ремонт кранового оборудования составляет 32,5 тыс. руб. в год на один кран. Разработки внедрены в учебный процесс на кафедре электропривода при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

На защиту выносятся:

— математическая модель мостового крана, учитывающая эффект упругого скольжения вращающихся колес относительно рельсов, а также поперечное смещение и поворот мостового крана в пределах зазоров между ребордами колес и рельсами подкранового пути;

— математические модели нелинейных и линеаризованных систем электроприводов согласованного вращения;

— методика расчета параметров индукционного сопротивления- ,.

— результаты исследований динамики передвижения мостового крана с ходовыми колесами различного профиля при использовании различных систем электроприводов;

— сформулированные условия бесперекосного движения мостового крана по рельсовому пути;

— система управления двухдвигательным электроприводом с вентильными блоками синхронизации, обеспечивающая бесперекосное перемещение мостового крана по рельсовому пути;

— результаты, полученные с помощью математического моделирования и экспериментов разработанных систем.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на II ежегодной международной научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» г. Липецк, 2007 г.- на II международной выставки — Интернет — конференции «Энергообеспечение и безопасность» г. Орел, 2008 г.- на научно-технической конференции, посвященной 35 — летаю кафедры электропривода Липецкого государственного технического университета г. Липецк, 2009 г.;

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, отражающих ее содержание, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и 6 приложений. Объем работы составляет 231 страница, в том числе 193 страницы текста, 63 рисунка, 5 таблиц, библиографического списка из 100 наименований, 6 приложений на 28 страницах.

ВЫВОДЫ.

1. Создана математическая модель системы согласованного вращения с электрической связью в цепи постоянного тока, достаточно точно отражающая процессы, проходящие в реальной системе.

2. Экспериментально установлено, что в системах ЭП с вентильными блоками синхронизации существует ошибка по согласованию скоростей вращения, зависящей как от величины роторных сопротивлений, так и от разности статических моментов сопротивления прикладываемых к электродвигателям.

3. Проведен анализ и синтезирована замкнутая система двухдвигательно-го электропривода с обратной связью по напряжению ротора.

4. Определено, что в системе ЭП с вентильными блоками синхронизации изменение общего сопротивления, стоящее на выходе выпрямительных мостов не влияет на демпфирующую способность параллельной ЭМС.

5. В связи с тем, что в системе ЭП с вентильными блоками синхронизации при различных нагрузках на двигатели их скорости вращения различны, то поведение данной системы, при использовании ее на мостовом кране, совпадает с ЭП без синхронизации.

6. Представлена функциональная схема системы управления модернизированного двухдвигательного электропривода с вентильными блоками синхронизации с использованием датчиков контроля поперечного смещения колес, и приведено описание принципа ее работы.

7. Проведенные исследования движения мостового крана с использованием модернизированной системы двухдвигательного электропривода показывают, что система ЭП с контролем поперечного смещения колес реализует все перечисленные условия бесперкосного движения мостового крана по рельсовому пути. При этом применение такой системы регулирования приводит к существенному снижению динамических нагрузок, действующих как на металлоконструкцию крана, так и на подкрановые пути.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведённых исследований была решена актуальная задача — разработана система электропривода, обеспечивающая бесперекосное движение мостового крана с применением индуктивных датчиков положения ходовых колес, позволяющая путём регулирования скорости электропривода передвижения крана в функции поперечного смещения ходовых колес существенно снизить динамических нагрузки, действующие как на металлоконструкцию мостового крана, так и на его ходовую часть и на подкрановые конструкции.

Материалы работы позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Создана математическая модель мостового крана, отличающаяся от ранее известных тем, что она учитывает эффект упругого скольжения вращающихся колес относительно рельсов, а также поперечное смещение и поворот в горизонтальной плоскости мостового крана в пределах зазоров между ребордами колес и рельсами подкранового пути. С помощью математической модели можно исследовать как свободное движение мостового крана, так и движение при контактах реборд ходовых колес с рельсами подкранового пути.

2. Получена универсальная кривая максимального демпфирования двухмассовой параллельной ЭМС, свидетельствующая, что в общем случае максимальная демпфирующая способность зависит только от жесткости системы.

3. Получены аналитические выражения, показывающие, что при определенных сочетаниях параметров параллельной ЭМС при использовании различных систем ЭП, в ней будет протекать переходные процессы апериодического характера.

4. Определены необходимые и достаточные условия бесперекосного движения мостового крана, при выполнении которых нагрузки на крановую конструкцию будут минимальны:

— поддержание синхронного движения опор мостового крана;

— поддержание угла поворота крана в нулевом значении;

— поддержание поперечного смещения колес крана в нулевом значении.

5. На основе проведенных исследований доказано, что выполнение всех трех условий бесперекосного движения мостового крана осуществляется при устранении поперечного смещения его «передних» колес (по направлению движения) относительно рельсов подкранового пути.

6. Экспериментально установлено, что в системе ЭП с вентильными блоками синхронизации существует ошибка по согласованию скоростей вращения, зависящей как от величины роторных сопротивлений, так и от разности статических моментов сопротивления прикладываемых к электродвигателям.

7. Разработана система управления электроприводом передвижения мостового крана, реализующая все условия бесперекосного движения. Система контролирует величину поперечного смещения ходовых колес с помощью индуктивных датчиков, воздействующих на скорость передвижения опор моста. При этом, как показывают результаты моделирования, такое управление приводит к снижению динамических нагрузок в 2+4 раза, действующих не только на металлоконструкцию крана, но и на подкрановые пути. Также следует отметить, что предлагаемый принцип управления позволяет не только строить системы ЭП, основанные на использовании асинхронных двигателей с фазным ротором, применяемых на кранах более чем в 90% случаев, но и использовать системы на базе частотно-регулируемого электропривода с АДКЗ, обеспечивающие наилучшие энергетические показатели.