Разработка системы управления тягового электропривода для шахтного электровоза
В данной диссертации произведен расчет, синтез регуляторов, имитационное моделирование в подвижной и неподвижной системах координат линейной и нелинейной модели, а так же создание модели векторного управления. Результаты имитационного были проверена на экспериментальном стенде.
Введение к диссертации включает в себя следующие основные
структурные элементы:
– актуальность темы исследования;
– степень ее разработанности;
– цели и задачи;
– научную новизну;
– теоретическую и практическую значимость работы;
– методологию и методы исследования;
– положения, выносимые на защиту;
– степень достоверности и апробацию результатов.
Актуальность темы исследования.
Разработка систем автоматического управления устройствами
самоходного движения в шахтах, штольнях, подземных выработках,
связанной с повышенным классом опасности, является сложным и
перспективным научным направлением. Шахтные электровозы нашли
широкое применение при транспортировке грузов по горным выработкам
шахты, а также доставку людей.
Главное преимущество рельсового подземного электротранспорта
является высокая эффективность транспортировки полезных ископаемых на
большие расстояния, что особенно актуально для рудных и угольных
месторождений, добыча в которых невозможна открытым способом из-за
большой глубины залегания.
Электрическими приводами оснащены электровозы с питанием от
аккумуляторных батарей или подземной контактной сети. В угольных
шахтах из-за угрозы взрыва метана используются аккумуляторные
электровозы, а рудных шахтах используются электровозы с контактной
тягой.
Подвижной состав из локомотива и грузовых тележек подвержен
неуправляемому буксованию при разгоне и юзу при торможении из-за
случайного характера изменения коэффициента сцепления ведущих колес
локомотива с рельсами, что приводит к неэффективному использованию
энергии при движении состава, снижает среднюю скорость откатки грузов,
значительному износу контактирующих поверхностей обечайки колёс и
рельсов. Электроприводом, который обеспечивает управляемый режим
разгона и торможения состава, оснащен только электровоз. Вагонетки, в
отличие от вагонов наземного рельсового транспорта, не имеют тормозных
устройств.
Основной и наиболее актуальной проблемой горно-рудной подотрасли
является сдерживание процесса естественного повышения себестоимости
полезного ископаемого – железорудного сырья (ЖРС), угольного сырья и др.
Среди нереализованных направлений в этом стратегически важном для
страны направлении является процесс доставки ЖРС от места добычи на
поверхность [1].
Для синтеза автоматических регуляторов и анализа динамических
режимов замкнутых САР с синхронными двигателями, синтезированными
для векторного управления, используются двухфазные математические
модели, которые адекватно отрабатывают процессы, которые протекают в
реальной машине. Наиболее общей формой математического описания
двухфазных моделей есть система дифференциальных уравнений и
уравнений связи, которые оперируют с токами и напряжениями в
координатах αβ, получаемыми из фазных координат [2]
Как известно, технологические показатели электровозов во многом
определяются соответствующими показателями их тяговых
электромеханических систем (ТЭМС) [3]. К сожалению, эксплуатируемые на
отечественных шахтных электровозах контактно – резисторные ТЭМС
далеки от совершенства по критериям надежности, энергоэффективности и
возможности автоматического управления [4]. Вместе с тем отрадно, что в
последние годы созданы и успешно прошли испытания в промышленных
условиях новые образцы ТЭМС, в том числе: IGBT – преобразователи –
тяговые асинхронные двигатели (ТАД) [5]. Однако, уже первые испытания
подтвердили обязательность включения в ТЭМС подсистем мониторинга
текущего состояния оборудования, в том числе идентификации
электрических параметров тяговых электродвигателей [6].
– степень ее разработанности;
Возрастание требований к высокомощной преобразовательной технике,
требует комплексного подхода к решению возникающих задач с
обеспечением комплексной миниатюризации, обеспечение надежности и
КПД, и уменьшению тепловых потерь.
Для этого целесообразно выполнение следующих условий:
-применение ЭБ, отвечающей всем требованиям ТЗ.
-разработка точной математической модели системы управления в связке с
многомассовой однодвигательной модели шахтного электровоза.
-оптимальный выбор структуры реализации аппаратуры.
При этом любая структура преобразовательной техники не лишена
недостатков. Основными из них являются:
– сложные структуры;
– дороговизна;
– возможность возникновения буксования;
– возможность возникновения юза;
– потеря энергии в силовом режиме, как в режимах пуска, так и при
торможении в виду невозможности использовать рекуперативное
торможение.
Необходимо ответить, что ряд вопросов по решению проблемы внесли
известные российские и зарубежные ученые: Власьевский С.В.,
Волотковский С.А., Волков Д.В., Жеребкин Б.В., Кордаков В.Н., Кутовой
Ю.Н., Оатт Г.П., Пивняк Г.Г., Рапопорт О.Л., Ренгевич А.А., Рысьев А.В.,
Спиваковский А.О., В.Д. Тулупов, Цукублин А.Б., В.Г. Шорин, П.С.
Шахтарь и др.
Решению указанных проблем посвящено много научных работ и
результаты опубликованы в соответствующих сборниках и журналах. Но в
большинстве своем, научные работы выполнены для транзисторной техники
меньшей мощности, чем требуется в данной работе. А те результаты,
которые выполнены с необходимым уровнем мощности, как показали
исследования, имеют ряд недостатков и не всегда соответствуют
современным требованиям по причине быстрого устаревания. Более
эффективные решения не публикуются в открытой печати по причинам
защиты авторских прав и интеллектуальной собственности.
Успешное решение указанных проблем открывает широкие
возможности для проектирования источников вторичного электропитания
средней и повышенной мощности с улучшенными массоэнергетическими
показателями, улучшенной электромагнитной совместимостью и
повышенной надёжностью.
При этом необходимо учитывать, что при рассмотрении нелинейных систем,
чрезмерное идеальное моделирование не отражает действительность и
математическая модель может не отражать важных свойств системы.
– цели и задачи;
Современный уровень развития электронной техники открывает
перспективы получения новых качеств существующих объектов: повышение
надежности, удешевление себестоимости, автоматизация движения,
безопасность эксплуатации.
Таким образом, основными целями диссертационной работы являются:
– выбор системы управления для шахтного электровоза
– выбор алгоритма управления силовым каскадом
– разработка компьютерной модели системы управления в системе
Matlab Simulink.
– исследование с помощью ИКМ(имитационного компьютерного
моделирования) переходных процессов в шахтном электровозе.
– исследование энергетических и динамических характеристик системы
управления.
Исходя из указанных целей работа посвящена решению следующих
задач:
1. Сравнительный анализ достоинств и недостатков существующих
систем управления и выбор из них наиболее оптимальной.
2. Выбор, обоснование и реализация алгоритма управления для САУ.
3. Компьютерное моделирование различных систем управления без и с
добавлением контуров, решающих проблемы перерегулирования электровоза
в среде Matlab 17.
– методологию и методы исследования;
Задачи решены с помощью нескольких методов научного
исследования:
1. Теоретический метод. Были изучены существующие варианты решений
поставленных проблем. Проведено их теоретическое сравнение и обоснован
оптимальный выбор.
2. Эмпирический метод. С помощью пакета программ Matlab 17. были
проведены эксперименты по изучению и сравнению различных вариантов
схемотехнического варианта конструкции аппарата.
1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ШАХТНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА
обеспечена скорая медицинская помощь. Предварительно пострадавший
должен быть освобожден от действия электрического тока. Если при этом
отключить напряжение быстро невозможно, освобождение от электричества
пострадавшего необходимо производить, изолировав себя диэлектрическими
перчатками или галошами. При необходимости перерезать провода (каждый
в отдельности) инструментом с изолированными ручками. Если есть
необходимость (при потере сознания, остановке сердца и т.п.) оказания
первой помощи, то до прибытия медработника необходимо начать делать:
наружный массаж сердца, искусственное дыхание.
Выводы по разделу
В результате выполнения раздела «Социальная ответственность» были
рассмотрены правовые и организационные вопросы обеспечения
безопасности. Проведен анализ опасных и вредных факторов труда согласно
действующей нормативно – технической документации. В разделе были
описаны источники возникновения вредных факторов, их воздействие на
организм человека, приведены допустимые нормы с необходимой
размерностью и были предложены средства защиты (коллективные и
индивидуальные) для минимизации воздействия факторов. Также были
рассмотрены вопросы экологической безопасности и выбраны наиболее
вероятные виды чрезвычайных ситуаций. Для ЧС указаны источники
возникновения и разработаны меры по предупреждению и возникновению.
Был разработан порядок действий в результате возникновения ЧС и меры по
ликвидации последствий.
Полученные результаты по разделу «Социальная ответственность»
имеют большую значимость в практическом применении. Весь собранный
материал основан на нормативных документах, которые регламентируют
действия каждого выявленного опасного и вредного производственного
фактора. При соблюдении всех требований безопасности, рабочий персонал
будет полностью защищен от всех вредных, опасных факторов,
чрезвычайных ситуаций и несчастных случаев.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Данная магистерская диссертация была посвящена разработке и
исследованию эффективной системы управления для синхронного двигателя
с постоянными магнитами, который непосредственно установлен на
шахтный электровоз.
Результаты проведенных экспериментов показывают, что
разработанная система управления является рабочей и пригодной для
использования в учебных целях. Показатели качества переходных процессов
двигателя и модели имеют небольшие погрешности [п.5 табл.6], что вполне
допустимо с учетом принятых допущений. Повышение показателей качества
переходных процессов может быть произведено в результате более точного
представления математической модели синхронного двигателя с
постоянными магнитами и на основе перенастройке контуров тока и
скорости с учетом более сложной математической модели. Статическая
ошибка по возмущению равняется 0, а максимальное перерегулирование
модели 4,73 %, что полностью удовлетворяет техническому заданию,
поскольку энергоэффективность и грамотное расходование электроэнергии
при применении аккумуляторных батарей в шахтных и рудничных
электровозах имеет важное значение для горнодобывающей
промышленности и других отраслей промышленности, где доставка и
перемещение грузов рельсовым транспортом является приоритетной.
Так же верно разработанная уточненная система управления, учитывая
все факторы и аспекты данной промышленности, поможет продлить срок
службы электрического двигателя, поскольку будут отсутствовать
перегрузки по току, что предотвратит перегревание обмоток двигателя, и, как
следствие, разрушение изоляции. Отсутствие перегрузки по моменту
благополучно скажется на подшипниковом щите, поскольку будут
отсутствовать биения. А повышение быстродействия, за счет установки
современных микроконтроллеров сократит время отклика на изменение
направления движения, либо на торможение, что приведет к более точному
движению.
В качестве экономического обоснования исследования определены
ключевые особенности продвижения учебного стенда с применением
разработанной системы управления для шахтного электровоза на Российский
рынок, в учебные лаборатории вузов, имеющих направления подготовки,
связанные с электроприводами. Для этого была рассчитана себестоимость
стенда, определены целевые сегменты потребителей, проанализированы
перспективы дальнейшего развития в данной области и обоснована
конкурентоспособность учебного стенда на рынке.
В результате выполнения раздела «Социальная ответственность» были
проанализированы вредные и опасные факторы, воздействующие на
научного сотрудника, в момент выполнения его работы, согласно
действующей нормативно –технической документации. Рассмотрены
правовые и организационные моменты по обеспечению безопасности
труда. В данном разделе были проанализированы такие вопросы, как
экологическая безопасность, безопасность в чрезвычайных ситуациях.
Для этого рассмотрены возможные случаи их возникновения и проработаны
методы по их предотвращению.
1. Подземный транспорт шахт и рудников. Справочник / Под общ. Ред.
Г. Я. Пейсаховича, И. П. Ремизова. — М. : Недра, 1985. С 565.
2. Шахтный подземный транспорт: Справочное издание. — В 2-х т. —
Шахтный локомотивный и рельсовый транспорт. — Т. 1. / Под общей
ред. Б. А. Грядущего. Изд. 2-е перераб. и доп. — Донецк: «ВИК», 2011.
С. 480.
3. Пармас Я.Ю. Судьба асинхронного привода / Я.Ю. Пармас //
Электрическая тепловая тяга. –1992. – № 1. – С. 41–45.
4. Анализ эксплуатации шахтных электровозов / В.Г. Щербаков [и др.]//
ВестникВЭлНИИ.Электровозостроение:сб.науч.тр.–
Новочеркасс:ВЭлНИИ, 1997. –№ 37. –С. 143–147.
5. Волотковский С.А. Рудничная электровозная тяга / С.А. Волотковский.
– 4-е изд., перераб. И доп. – М.: Недра, 1981. – 389 с.
6. Аккумуляторныйрудничныйэлектровозстяговымприводом
трехфазного тока // Железные дороги мира. – 1997. – №. 9. – С. 31-35
7. Носков А.Л. Российское электровозостроение на пороге ХХI века/ А.Л.
Носков // Вестник ВЭлНИИ. Электровозостроение: сб. науч. тр. –
Новочеркасск: ВЭлНИИ, 1999. – № 41. – С. 3-14.
8. Корельский Д.В., Потапенко Е.М., Васильева Е.В. Обзор современных
методов управления синхронными двигателями с постоянными
магнитами, 2001. – с. 155–159.
9. C.J. O’Rourke et al. “A Geometric Interpretation of Reference Frames and
Transformations: dq0, Clarke, and Park,” in IEEE Transactions on Energy
Conversion, vol. 34, no. 4, pp. 2070-2083, Dec. 2019.
10.R.H. Park Two Reaction Theory of Synchronous Machines AIEE
Transactions 48:716–730 (1929).
11.Осин И.Л. Синхронные электрические двигатели малой мощности:
учеб. пособие для вузов / И.Л. Осин. – М: Издательский дом МЭИ,
2006. – 216 с.
12.Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. – М.: учебник для
студ. вузов / А.В. Иванов-Смоленский. – : Энергия, 1980. – 928 с.
13.Осин И.Л., Юферов Ф.М. Электрические машины: Синхронные
машины. – М.: Высшая школа, 1990.
14.Вольдек А.И. Электрические машины: учеб. для вузов. – 2-ое изд.,
перераб. и доп. – Л.: Энергия, 1974.
15.Бербиренков И.А., Лохнин В.В. Тяговые двигатели на постоянных
магнитахвэлектроприводеэлектромобиля//ИзвестияТПУ.
Энергетика. – 2011. – Т. 318. № 4. – С. 148–150.
16.KesslerC.UberdieVorausberechnungoptimalabgestimmter
Regelkreise. Teil III. Die optimale Einstellung des Reglers nach dem
Betragsoptimum // Regelungstechnik. – 1955. – B. 3. – H. 2. – S. 40–49.
17.Kessler C. Das symmetrische Optimum. Teil I und III // Regelungstechnik. –
1958. – B. 6. – H. 11. – S. 395–400; H. 12.– S. 432–436.
18.Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов:
учеб. пособие / Р.Т. Шрейнер. – Екатеринбург: ГОУ ВПО «Рос. гос.
проф.-пед. ун-т», 2008. – 279 с.
19.ЧернышевА.Ю.,КояинН.В.Проектированиеэлектрических
приводов: Учебно-методическое пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005.
– 120 с.
20.ШрейнерР.Т.Математическоемоделированиеэлектроприводов
переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты:
– Екатеринбург УРО РАН, 2000. – 654 с.
21.ГОСТ 2.855-75 Горная графическая документация. Обозначения
условные горных выработок
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (2878 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
4.8 (373 отзыва)
4.4 (93 отзыва)
4.8 (17 отзывов)
5 (91 отзыв)
5 (285 отзывов)
4.4 (59 отзывов)
5 (188 отзывов)
