Асинхронный электропривод механизма подъема крана мостового типа с повышенной безопасностью и живучестью

На правах рукописи

Однокопылов Иван Георгиевич

АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА КРАНА МОСТОВОГО ТИПА С ПОВЫШЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ И ЖИВУЧЕСТЬЮ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2008

Работа выполнена на кафедре электропривода и электрооборудования Электротехнического института Томского политехнического университета.

Научный руководитель: – кандидат технических наук, доцент

Дементьев Юрий Николаевич

Официальные оппоненты: – доктор технических наук, профессор

Бейнарович Владислав Александрович

– кандидат технических наук, доцент

Кладиев Сергей Николаевич

Ведущая организация: – ОАО «СКБ Сибэлектромотор» (г. Томск)

Защита диссертации состоится 26 декабря 2008 г. в­­­­­ 10.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.11 при Томском политехническом университете в ауд. 217 8 учебного корпуса Томского политехнического университета по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан «24» ноября 2008 г.

Ученый секретарь

совета, к.т.н., доцент Ю.Н. Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мостовые краны производят большую часть подъемно-транспортных работ на различных предприятиях. Они выполняют не только обслуживающие функции, но и нередко включены непосредственно в технологический процесс. От их надежной и бесперебойной работы зависят производительность предприятия, его технико-экономические показатели, безопасность обслуживающего персонала.

Решение проблемы повышения надежности и безопасной эксплуатации мостовых кранов во многом определяются особенностями и качественными показателями электропривода (ЭП) механизма подъема, к которому предъявляют ряд жестких требований, важнейшими из которых являются: обеспечение высокой производительности, бесперебойности в работе, безопасности обслуживания, простота эксплуатации и ремонта, т.е. обеспечения «безопасности» и «живучести».

В настоящее время для подавляющего большинства грузоподъемных кранов мостового типа в качестве ЭП рациональным является использование асинхронного электропривода (АЭП), как наиболее простого, дешевого и надежного.

В связи с этим актуальным является разработка и исследование АЭП механизма подъема мостовых кранов с повышенной безопасностью и живучестью, как единой электромеханической системы в комплексе с современными системами безопасности на базе микроконтроллерного (МК) устройства, выполняющего не только функции защиты от опасных производственных воздействий и регистрации параметров крана, но и функции управления ЭП, диагностики состояния конструкций, ответственных узлов и агрегатов в процессе работы крана.

Цель работы состоит в исследовании асинхронного электропривода механизма подъема крана мостового типа и разработке практических рекомендаций по обеспечению его безопасности и живучести.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

– рассмотреть основные особенности и тенденции развития кранового асинхронного электропривода;

– сделать анализ технических решений и способов обеспечения безопасности и живучести нерегулируемых и частотно-регулируемых АЭП механизма подъема крана;

– разработать математическую модель АЭП механизма подъема, как основного информативного технического устройства, характеризующего нагрузку на кран;

– выявить с помощью математической модели связь параметров асинхронного двигателя (АД) механизма подъема крана с массой поднимаемого груза;

– разработать микроконтроллерный ограничитель грузоподъемности (ОГ) на основе косвенных методов измерения массы груза;

– исследовать на математической модели аварийный режим типа «обрыв фазы» трехфазного АД частотно-регулируемого ЭП механизма подъема и разработать рекомендации по обеспечению живучести ЭП;

– разработать схему питания электромагнитного тормоза с форсировкой;

– провести экспериментальные исследования и оценить полученные результаты.

Методы исследования. В диссертационной работе применены: положения математической теории электрических машин, методы, используемые при описании динамических процессов электромеханического преобразования энергии, численные методы Эйлера и Рунге-Кутта 4-го порядка, спектральный метод анализа, математическое моделирование и программирование в среде Delphi и Matlab. Проверка теоретических исследований осуществлялась экспериментальными методами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель для исследования в различных режимах работы АЭП механизма подъема крана мостового типа, отличающаяся тем, что в ней учитывается упругий характер механической части крана, влияние электромагнитного тормоза, насыщение АД, наличие преобразовательного устройства.

2. Выявлены и обоснованы информативные параметры АД, характеризующие массу груза на крюке механизма подъема крана для ограничения его грузоподъемности.

3. Представлен способ построения микроконтроллерного ОГ на основе косвенных методов измерения массы груза на крюке механизма подъема мостового крана.

4. Предложен способ управления по обеспечению живучести частотно-регулируемого АЭП механизма подъема крана мостового типа, обеспечивающий работу трехфазного АД в аварийном двухфазном режиме на основе алгоритма восстановления и схема его реализации.

Практическая ценность работы:

– разработана компьютерная программа, позволяющая исследовать нерегулируемый и частотно-регулируемый АЭП механизма подъема крана мостового типа;

– разработаны технические решения по построению ОГ на основе косвенных методов измерения массы груза для оснащения мостовых и козловых кранов;

– предложены рекомендации по повышению живучести частотно-регулируемого кранового АЭП, обеспечивающие работу в аварийном двухфазном режиме трехфазного АД с МК управлением на основе алгоритма восстановления работоспособности.

Реализация результатов работы. На предприятии ООО «Тепромес» г. Томск внедрены «Программа расчета переходных процессов кранового асинхронного электропривода с ограничителем грузоподъемности», свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007611078 и «Программа расчета переходных процессов асинхронного электропривода в неполнофазных и аварийных режимах работы», свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007613578. На предприятии ОАО  "Сибэлектромотор" г. Томск внедрены рекомендации по проектированию кранового асинхронного электропривода с электромагнитным тормозным устройством и «Программа расчета переходных процессов кранового асинхронного двигателя с электромагнитным тормозным устройством», свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612119.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель АЭП механизма подъема крана мостового типа, позволяющая исследовать ЭП в различных режимах работы.

2. Обоснование информативных параметров АД, характеризующих массу груза на крюке механизма подъема крана мостового типа.

3. Способ построения микроконтроллерного ОГ на основе косвенных методов измерения массы груза на крюке механизма подъема мостового крана.

4. Способ обеспечения живучести в аварийном двухфазном режиме частотно-регулируемого АЭП механизма подъема крана мостового типа.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались на IX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии», г. Томск, 2003 г.; на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2004 г.; на IV международной научно-технической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения», г. Новочеркасск, 2004 г.; на XI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии», г. Томск, 2005 г.; на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2005 г.; на всероссийской конференции – конкурс инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение», г. Томск, 2006 г.; на V международной (XVI Всероссийской) научной конференции по автоматизированному электроприводу, г. Санкт-Петербург, 2007 г.; на международной научн.-техн. конф. «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2007 г.

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 26 научных работах, в том числе, 4 написанных лично автором и 22 работах, написанных в соавторстве, 18 статьях и тезисах докладов, 8 патентах на изобретения и полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, выполнена на 143 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка, 5 таблиц, список использованной литературы из 135 наименований и 2 приложения на 6 страницах.

Автор выражает благодарность научному консультанту Баранову Павлу Рудольфовичу за неоценимую помощь при работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, указаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе рассмотрены основные особенности и тенденции развития кранового АЭП. Приведен обзор по отказам асинхронных двигателей и причинам их появления. Установлено, что по АЭП механизма подъема, как объекту потенциальной опасности, необходимо провести исследования по обеспечению его «безопасности» и «живучести». Приведены существующие, а также предложенные автором, способы повышения безопасности кранового АЭП путем ограничения грузоподъемности (рис. 1).

Установлено, что ограничение грузоподъемности электрических кранов косвенными методами ранее не применялось. Рассмотрены предпосылки и возможности построения ОГ на основе косвенных методов измерения массы груза.

Рис. 1. Способы ограничения грузоподъемности АЭП

механизма подъема мостового крана

Обзор литературы показал, что практически отсутствуют разработки по обеспечению живучести АЭП мостовых кранов при отказах его элементов.

Приведены существующие способы, а также предложенный автором способ обеспечения живучести АЭП при неисправности типа «обрыв фазы» или отказе силового ключа инвертора (рис. 2), обоснована возможность работы ЭП в аварийном двухфазном режиме.

Приведены тенденции развития электромагнитных тормозных устройств кранового АЭП по обеспечению его безопасной работы. Рассмотрены существующие схемные решения электромагнитных тормозных устройств и их недостатки.

Рис. 2. Способы обеспечения живучести АЭП механизма подъема мостового крана

Во второй главе приведено математическое описание АЭП механизма подъема мостового крана, как единой электромеханической системы и разработана математическая модель.

При составлении математической модели были приняты следующие допущения: потери в стали пренебрежимо малы; фазные обмотки симметричны и сдвинуты на угол 2/3 рад; воздушный зазор равномерен; ротор симметричен; питающая сеть – бесконечно большой мощности. Реальная распределенная обмотка заменяется сосредоточенной, а намагничивающая сила ее равна намагничивающей силе реальной обмотки.

Математическое описание АД произведено в трехфазной неподвижной системе координат ,  ,  . Система дифференциальных уравнений, описывающая электромагнитные процессы в статоре и роторе АД:

; ;

; (1) ; (2)

; ,

где UA, UB, UC – мгновенные значения фазных напряжений статора; iA, iB, iC, ia, ib, ic – мгновенные значения токов фаз статора и ротора соответственно; Rs, Rr – активные сопротивления статора и ротора; pп – число пар полюсов АД; – частота вращения вала двигателя; A, B, C, a, b, c, – мгновенные значения потокосцеплений фаз статора и ротора.

Потокосцепления для всех фаз:

;

;

; (3)

;

;

.

где Lm – максимальная приведенная взаимная индуктивность между фазами статора и ротора; LSA, LSВ, LSС, LRA, LRB, LRC – индуктивности фаз статора и ротора соответственно.

Результирующее выражение для электромагнитного момента в трехфазной системе координат:

. (4)

Системы дифференциальных уравнений (1)-(2) для расчёта численными методами представлены в виде уравнения с матричными переменными:

; (5)

где – матрица неизвестных (токи статора и ротора); – матрица напряжений; – матрица сопротивлений; , – матрицы индуктивностей.

Влияние электромагнитного тормоза на работу электропривода учтено введением в уравнение движения АЭП тормозного момента МТ. Работа электромагнитного тормоза описывается выражениями (6)-(8):

; (6) ; (7)

; (8)

где RЭ, LЭ – активное сопротивление и индуктивность электромагнита соответственно; iЭ – ток электромагнита; – величина воздушного зазора; QT – тяговое усилие электромагнита; QПР – противодействующее усилие возвратных пружин; kТР – коэффициент трения фрикционных накладок; RСР – средний радиус поверхности трения накладок; zk – коэффициент, учитывающий конструктивные особенности механического тормоза.

Когда тяговое усилие QT станет равным противодействующему усилию QПР, тормозной момент МТ не будет препятствовать вращению вала АД:

Рис. 3. а) расчетная модель мостового крана, б) кинематическая схема мостового крана.