Аналіз факторів впливу і розробка адаптивних систем екскаваторних електроприводів

Abstract

Дисертація присвячена розв’язанню науково-практичної задачі підвищення продуктивності та функційної надійності механізмів одноківшових екскаваторів шляхом розроблення адаптивних електромеханічних систем екскаваторних механізмів, що дає змогу мінімізувати їх чутливість до параметричних та координатних збурювальних факторів. На основі аналізу впливу факторів збурення на статичні та динамічні характеристики доказано, що для екскаваторних електроприводів доцільно стабілізувати динамічні характеристики при флуктуаціях температури електричних машин, статичного моменту та моменту інерції. Обґрунтовано доцільність побудови системи автоматичного керування екскаваторними електроприводами зі змінною структурою – з вмиканням контура регулювання момента двигуна у режимах допустимого прискорення і контура регулювання прискорення у режимах необхідності його обмеження, що приводить до підвищення їх продуктивності і надійності. Встановлено, що контур струму із нестабілізованим зворотним зв'язком за струмом має властивість самокомпенсації, на основі чого створено структуру системи з комбінованим керуванням екскаваторними електроприводами з адаптацією сигналу завдання контура струму якірного кола до зімни температури нагріву електричних машин. Це дає змогу стабілізувати в режимах струмообмеження показники динамічних та статичних характеристик в робочому діапазоні зміни температур. Наведено приклади схемної реалізації запропонованих системних рішень та результати їх дослідження на математичних та фізичних моделях, а також на діючих екскаваторах. Диссертация посвящена решению научно-практической задачи повышения производительности и функциональной надежности механизмов одноковшовых экскаваторов путем разработки адаптивных электромеханических систем экскаваторных механизмов, что позволяет минимизировать их чувствительность к параметрическим и координатным возмущающим факторам. Проанализированы существующие системы температурной стабилизации механических характеристик экскаваторных электроприводов. Они отличаются сложностью реализации и наладки и не обеспечивают стабилизацию динамических характеристик. Кроме того, современные системы экскаваторных электроприводов или вообще не обеспечивают ограничения ускорения при изменении момента инерции и нагрузки, или осуществляют это с помощью косвенного измерения ускорения, что отрицательно сказывается на точности ограничения. Показано, что контур тока с нестабилизированной обратной связью по току имеет свойства самокомпенсации, сущность которой заключается в стабилизации показателей динамики (перерегулирование, время регулирования и т.п.) экскаваторных электроприводов в условиях воздействия параметрических возмущений. На основании этого доказано возможность создания адаптивной системы электропривода с нестабилизированным контуром тока по отношению к изменению температуры электрических машин путем коррекции сигнала задания регулятора тока в функции изменения температуры. Разработано систему электропривода механизмов экскаватора с переменной структурой, в которой ограничение ускорения обеспечивается поддержанием или максимального значения момента, когда ускорение меньше допустимого, или максимального ускорения, когда оно превышает допустимое значение, что обеспечивает повышение производительности и функциональной надежности механизмов. Предложена схема ограничения ускорения на основании задержанной отрицательной обратной связи по ускорению, которая не требует существенных изменений базовой системы экскаваторного электропривода. Разработаны схемы температурной стабилизации с регулированием ограничения напряжения насыщения регулятора напряжения и с регулированием величины сопротивления в цепи задания регулятора тока без вмешательства в цепь отрицательной обратной связи по току, что повышает надежность систем экскаваторных электроприводов. Техническая реализация, как схем температурной стабилизации механических характеристик, так и схем электропривода с ограничением ускорения позволяет усовершенствовать существующие (типовые) схемы экскаваторных электроприводов без существенных изменений их монтажных схем. Приведенные результаты математического моделирования разработанной системы адаптивного управления к изменению температуры путем влияния на задание регулятора тока показали улучшение динамических показателей такого электропривода при изменении температуры в рабочих пределах от -40оС до +120оС по сравнению с типовой схемой со стабилизированной связью, что подтверждается исследованиями на действующих экскаваторах ЭШ 6/45М и ЭШ 10/70А. Результаты лабораторных исследований и на действующем экскаваторе ЕКГ 5А системы электропривода с разработанным устройством ограничения ускорения подтверждают его эффективность. Устройство поддерживает максимальный допустимый момент в динамических режимах пуска, когда ускорение не превышает допустимое значение, и уменьшает момент в режимах ограничения ускорения при торможении, что обеспечивает повышение динамической точности поддержания ускорения в пределах 3-5%. The thesis is devoted to solving an applied research task of enhancing performance and functional reliability of mechanisms of single-bucket excavators by means of developing adaptive electromechanical systems of excavator mechanisms, which allows minimizing their sensitivity to parametrical and coordinate disturbance factors. Based on the analysis of influence of disturbance factors on static and dynamic characteristics, stabilization of dynamic characteristics was proven to be a viable approach for excavator electric drive in the event of fluctuating temperature of electric machines, static torque and moment of inertia. The work substantiates feasibility of synthesis of automatic control system for excavator electric drives with variable structures – with enabling the motor torque control contour in the modes of permissible acceleration and the acceleration control contour in the modes requiring acceleration limiting, this resulting in their improved performance and reliability. It was found that the current loop with non-stabilized feedback relative to current is capable of self-compensation, which served a basis for creating a combined-control excavator drives system with adaptation of the current loop command signal of the armature contour to the fluctuation of electric machines’ heating temperature. This allows stabilization of the indicators of dynamic and static characteristics in cut-off current modes within the operating temperature range. Examples of schematic implementation of the proposed systemic solutions and results of their study using mathematical and physical models as well as operational excavators are presented.