Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
МАЛАФЕЕВ Сергей Сергеевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ МЕХАТРОННЫХ КАРЬЕРНЫХ МАШИН С ДИСТАНЦИОННОАВТОМАТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ
Специальность 05.02.05 - роботы, мехатроника и робототехнические системы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в МАТИ - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского Научный руководитель доктор технических наук, профессор А.В. Черняев, МАТИ - Российский государственный техноло гический университет имени К.Э. Циолковского
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.Е. Пряничников, ИПМ имени М.В. Келдыша РАН;
кандидат технических наук, профессор В.В. Филатов, МГТУ СТАНКИН Ведущая организация - Государственный космический научнопроизводственный центр им. М.В. Хруничева - Конструкторское бюро Арматура
Защита диссертации состоится 29 мая 2012 г. в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 в ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет СТАНКИН: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3-А, www.stankin.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ СТАНКИН. Автореферат размещен на сайтах ВАК РФ (www.vak.ed.gov.ru) и МГТУ Станкин (www.stankin.ru).
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета. Тел. 8 (499) 972-95-21; E-mail: science@stankin.ru Автореферат разослан апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент М.А. Волосова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Переход к технике управления нового поколения характеризуется функциональным и конструктивным объединением электромеханических преобразователей с энергетическими и информационными компонентами с высоким уровнем организации процессов управления, т.е., созданием мехатронных комплексов. Для современных горных машин особое значение имеет энергетическая эффективность их функционирования. При передаче электрической энергии от источника к двигателям горной машины происходит преобразование ее параметров, сопровождающееся, во-первых, потерями во всех элементах, и, во-вторых, снижением ее качества, проявляющееся в колебаниях, отклонениях и искажениях формы напряжения. При торможении механических масс происходит рекуперация энергии, эффективность использования которой зависит от схемотехнического решения и алгоритмов управления мехатронной системой.
В связи с этим моделирование энергетических процессов имеет определяющее значение при конструировании мехатронных систем для горных машин. В настоящее время эта задача приобретает особую актуальность в связи с принципиальным обновлением технических средств управления.
Это определяет необходимость модификации методов расчета и проектирования и сравнительного анализа вариантов. Возрастающие функциональные возможности средств вычислительной техники, увеличение мощности компьютеров и совершенствование программных сред обеспечивают условия для развития новых концепций исследования и моделирования мехатронных и других систем междисциплинарного характера.
Существующее противоречие между практической потребностью повышения энергетической эффективности, с одной стороны, и ограниченными возможностями современных методов исследования и моделирования мехатронных систем и их элементов для экскаваторов, с другой стороны, определяют актуальность исследований в данном направлении.
Работа выполнялась в период с 2008 по 2011 г. на кафедре промышленной экологии Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского - МАТИ (г. Москва) и соответствует Приоритетному направлению развития науки, технологий и техники Российской Федерации №8 Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика и п. 26 Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии Перечня критических технологий Российской Федерации, утвержденных Указом Президента РФ № 899 от 7 июля 2011 г. Научно-исследовательская работа проводилась в рамках реализации ФЦП Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы (государственные контракты № П236 и № 16.740.11.0397).
Цель и задача работы. Цель работы состоит в повышении эффективности использования электрической энергии в мехатронных системах карьерных экскаваторов на основе совершенствования моделей и технологии математического и компьютерного моделирования для проектирования, выбора компонентов и синтеза алгоритмов управления.
Для достижения указанной цели сформулирована научная задача:
составить математические модели процессов преобразования энергии и информации в мехатронных системах экскаваторов; на основе полученного математического описания разработать методику, алгоритмы и программные средства моделирования, позволяющие проводить анализ и синтез мехатронных систем, обладающих повышенной энергетической эффективностью.
Решение этой научной задачи предполагает:
1. Составление моделей мехатронных систем экскаваторов, ориентированных на энергетические исследования и повышение энергетической эффективности работы оборудования.
2. Исследование моделей и критериев эффективности электроэнергетических процессов в мехатронных системах.
3. Разработку методологии и программного обеспечения компьютерного моделирования процессов управления и преобразования энергии и информации в мехатронных системах.
4. Компьютерное моделирование и исследование эффективности использования энергии в мехатронных комплексах экскаваторах.
5. Сравнительный анализ и синтез структур и компонентов мехатронных систем по критерию эффективного использования энергетических ресурсов.
Методы исследования. Для решения сформулированной научной задачи использованы математические методы моделирования физических процессов, вычислительные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений, современная теория автоматического управления, классическая электромеханика, натурные и вычислительные эксперименты, методы обработки данных.
Основные положения, защищаемые автором.
1. Математическое описание мехатронных комплексов экскаваторов, основанное на структурном представлении систем и ориентированное на исследование процессов и эффективности преобразования энергии.
2. Математические модели и программные комплексы для компьютерного моделирования процессов управления и преобразования энергии в мехатронных системах карьерных экскаваторов.
3. Результаты вычислительных и натурных экспериментов и сравнительный анализ энергетической эффективности мехатронных систем современных экскаваторов при различных схемотехнических решениях.
4. Новые схемотехнические решения мехатронных комплексов карьерных экскаваторов, обеспечивающие повышение энергетической эффективности.
5. Методика приближенного оценивания погрешностей, обусловленных квантованием, при цифровом измерении мощности и расхода электроэнергии.
6. Прогнозирующая модель деградационных процессов в изоляции и основанный на ее использовании способ контроля сопротивления изоляции в мехатронных системах экскаваторов.
7. Способ визуализации работы экскаватора с использованием рабочих сигналов мехатронного комплекса.
Научная новизна работы заключается в:
Ц математических моделях мехатронных систем карьерных экскаваторов, ориентированных на исследование энергетических процессов;
Ц алгоритмическом и программном обеспечении для компьютерного моделирования энергетических процессов в мехатронных системах, сравнительного анализа различных схемотехнических решений по критерию энергоэффективности и синтеза специальных алгоритмов управления;
Ц моделировании и сравнительном анализе современных и перспективных мехатронных систем экскаваторов с выходом на энергетические характеристики мехатронных систем с новыми элементами преобразования и накопления энергии;
Ц в новой структурной схеме мехатронного комплекса экскаватора, обеспечивающей использование рекуперированной энергии и алгоритме контроля сопротивления изоляции в мехатронных системах с преобразователями рода тока;
Ц способе визуализации работы экскаватора с использованием рабочих сигналов мехатронных систем.
Практическая ценность работы заключается в:
Ц возможности оценки энергетических характеристик мехатронных систем экскаваторов на этапе проектирования;
Ц сравнительном анализе различных схемотехнических решений, обеспечивающих значительное ускорение расчетов и исследования приводных систем, позволяющих существенно сократить сроки проведения проектноконструкторских работ по созданию новых - моделях мехатронных систем и программном обеспечении, позволяющих проводить целенаправленный синтез новых структур, объектно-ориентированных подсистем и элементов электроприводов, обеспечивающих снижение потерь энергии и электромагнитную совместимость оборудования.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: результатами теоретических исследований, основанных на фундаментальных положениях механики, электротехники, электромеханики, математического анализа; корректностью сделанных допущений при построении математических моделей; сопоставлением результатов математического моделирования и экспериментальных данных, полученных в условиях реального забоя, и подтвердивших высокую сходимость результатов теоретических исследований.
Реализация результатов работы. Теоретические результаты и математические модели, прикладные программы, рекомендации, алгоритмы и практические разработки, в том числе защищенные патентами Российской Федерации, использованы в ООО Компания Объединенная Энергия, г.
Москва при проектировании и производстве карьерных экскаваторов с транзисторными преобразователями ЭКГ-5, ЭКГ-10, ЭКГ-12, ЭКГ-18Р.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:
1. XVI и XVII Международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам ВМСППСТ2009 и ВМСППСТ2011 (Алушта, 2009, 2011).
2. Международной научной конференции Дифференциальные уравнения и динамические системы (Суздаль, 2 -7 июля 2010).
3. Всероссийской научно-технической конференции Исследование, проектирование, испытания и эксплуатация информационно-измерительных устройств военной техники (Владимир, 2010).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журналах по Перечню ВАК РФ и получено 3 патента на изобретения.
Объём работы. Диссертация изложена на 200 с. машинописного текста, содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы из 146 наименований, 3 приложения и иллюстрируется 75 рис.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов и их достоверность, основные положения, вынесенные на защиту, и кратко изложено содержание диссертации.
В первой главе рассмотрены современное состояние теории и практики моделирования мехатронных систем экскаваторов. Выполненный анализ дает основание отметить следующие обстоятельства.
1. Моделирование мехатронных систем в настоящее время становится основным инструментом научных исследований и проектирования. Неоценимый вклад в теорию и практику моделирования мехатронных систем внесли выдающиеся российские и иностранные ученые: С.Г. ГерманГалкин, С.Л. Зенкевич, Ю.П. Коськин, Ю.В. Подураев, В.Е. Пряничников, В.Е. Павловский, А.К. Платонов, В.Я. Распопов, Е.Д. Теряев, Д.Е. Охоцимский, Р.Т. Шрейнер, А.С. Ющенко, М. Вукобратович, Т. Исии, R.H. Bichop, R.C. Dorf, G. Pelz, F.C. Moon и многие другие. Моделированию мехатронных систем и их компонентов для горных машин посвящены работы В.Г.
Ананина, Ю.Я. Вуля, Н.С. Галдина, А.Г. Григорьева, Н.Н. Живейнова, Л.Б.
Зарецкого, Г.Н. Карасева, В.И. Ключева, В.Я. Крикуна, Е.Ю. Малиновского, А.Я. Микитченко, В.В. Москвичева, В.С. Щербакова, В.Ф. Козаченко, В.Н.
Острирова, А.Е. Козярука, В.М. Терехова и др.
2. Мехатронные системы экскаваторов представляют собой технически сложные и дорогие изделия, проектирование и подготовка к производству которых должны осуществляться в короткие сроки. Поэтому проектирование мехатронных систем обязательно включает в себя математическое моделирование, которое позволяет разрабатывать варианты проектируемого изделия, проводить их исследование, решать инженерные задачи оптимизации, синтеза и сравнительного анализа.
3. Современные компьютерные модели мехатронных систем, как правило, имеют конкретное назначение: исследование кинематики, динамики и процессов управления. Используемые в типовых программных системах модели не позволяют непосредственно применять их при проектировании или анализе энергетических процессов в мехатронных комплексах экскаваторов. Поэтому особую актуальность имеет разработка методологии компьютерного моделирования, ориентированной на исследование процессов преобразования энергии в мехатронных системах горных машин.
4. Работа горной машины происходит при переменных случайных нагрузках, зависящих от характеристик пород, горно-геологических и климатических условий а также особенностей работы операторов. Технологическая и эксплуатационная сложность работы машины обусловлена большим количеством переменных, значения которых в той или иной степени определяют эффективность этого процесса, и множеством взаимодействий между ними. Это обстоятельство принципиально усложняет процессы моделирования, проектирования, расчета и выбора компонентов и настройки систем управления.
5. Современное развитие мехатронных комплексов экскаваторов непосредственно связано с использованием последних достижений силовой преобразовательной техники и микроэлектроники. Расчетам и проектированию новых компонентов мехатронных систем, таких как инвертор, активный выпрямитель, корректор коэффициента мощности, посвящено значительное количество исследований отечественных и зарубежных авторов. Но до настоящего времени отсутствуют исследования и конкретные рекомендации по их проектированию и применению для горных машин. Разработка новых методов моделирования и проектирования для практики горного машиностроения позволит получить оптимальные параметры мехатронной системы с точки зрения максимальной энергоэффективности.
В связи с этим проведение исследования и моделирование процессов управления и преобразования энергии в перспективных мехатронных системах горных машин обеспечивает качественно новый подход к определению основных параметров приводных агрегатов. Создание такой методологии позволит на стадии проектирования машины провести оценку и оптимизацию как всей конструкции в целом, так и конкретных её компонентов, а также выполнить сравнительный анализ различных вариантов.
Во второй главе для решения задачи моделирования процессов в мехатронных системах использована концептуальная модель, отражающая взаимосвязь энергетических и информационных процессов и основанная на описании энергетического, материального и информационного ресурсов.
В качестве языка моделирования мехатронных систем использованы дифференциальные уравнения и структурные схемы. Разработанные математические модели, использующие структуру мехатронной системы, воздействия на ее входах, динамические и энергетические характеристики оборудования, позволяют аналитически исследовать и моделировать электроэнергетические процессы, определять потери, оценивать эффективность использования энергетического ресурса и проводить сравнительный анализ технических решений. Примененный подход обеспечивает адекватность моделей реальным мехатронным системам, синтез которых осуществляется путем создания структур и формирования связей между компонентами, а также обеспечивает возможность применения новых эффективных методов решения нелинейных дифференциальных уравнений.
Для всех компонентов мехатронных систем: двигателей постоянного и переменного тока, генераторов, тиристорных и транзисторных преобразователей, активных выпрямителей, трансформаторов и конденсаторов составлены математические модели, ориентированные на исследование диссипативных процессов и энергетических характеристик. На основе полученных аналитических уравнений и эмпирических соотношений разработаны уточненные Simulink-модели компонентов и мехатронных систем, предназначенные для проведения вычислительных экспериментов по определению энергетических характеристик. При моделировании систем управления использованы структуры и алгоритмы современных систем управления для отечественных экскаваторов. На рис. 1 показана функциональная схема мехатронной системы с транзисторными преобразователями энергии.
Модели электромеханических подсистем приводов главного движения горных машин включают математическое описание двигателей и механических нагрузок. Механическая часть представлена в виде двухмассовой системы (рис. 2): вращающаяся масса якоря двигателя и жестко связанных с ним элементов - первая масса J12, и движущаяся масса ковша с грунтом (копающие механизмы) или вращающаяся поворотная платформа (вторая масса) J2, связанные упругим звеном - канат и валопровод. Уравнения движения для двухмассовой механической системы имеют вид:
dJ1 dt c12F M Mc1 k f 11;
d J2 c12F Mc2 k 2;
f dt 1 2, где с12 - жесткость механической передачи; k и k - эквивалентные f 1 f диссипативные коэффициенты;
при з;
F 0 при з;
з - приведенный к валу двигателя люфт; 1 и 1 - скорость и угол поворота первой массы; 2 и 2 - скорость и угол поворота второй массы.
Уравнения двигателя постоянного тока с учетом диссипативных процессов имеют вид:
di u L ri c1 uщ;
dt p1 2 d1 p1 ci J1 M k 1 M 1 k P1,0г B2 P1,0в B mст;
c1 f 1 доб dt 1500 15 uв rв Lв diв, dt Рис. 1. Функциональная схема мехатронной системы экскаватора с транзисторными преобразователями энергии Рис. 2. Структурная схема системы управления двигателем с двухмассовой моделью механической части где r, L, с - активное сопротивление, индуктивность якорной обмотки и конструктивная постоянная двигателя; uщ - падение напряжения на щеточном контакте; Mдоб1 - момент, моделирующий увеличение нагрузки за счет добавочных потерь; k - коэффициент возрастания потерь (k 2Е2,5) вследствие различных дополнительных факторов; P1,0г, P1,0в - характерные для шихтованных сердечников удельные потери на гистерезис и удельные потери на вихревые токи при частоте f = 50 Гц и 1 Тл; В - максимальная индукция, Тл; p - число пар полюсов машины; mст - масса стали, кг; uв - напряжение питания обмотки возбуждения; rв, Lв - активное сопротивление и индуктивность обмотки возбуждения.
Для экскаваторов, работающих в циклическом режиме, эффективность использования энергетического ресурса мехатронной системы предложено оценивать энергетическими показателями, полученными усреднением за период питающей сети T и за цикл экскавации Tц. Для количественной оценки эффективности использования энергетического ресурса применены:
E Eп КПД за цикл экскавации ; КПД за период сетевого напряжения E P ; коэффициент эффективности использования активной энергии S Eм k , где Eм - энергия механического движения за p.а Eм Eп E0м время Tц ; Eп - суммарная энергия потерь во всех элементах системы за время Tц ; E0 Eм E0м - разность между энергией Eм системы при движении и энергией при идеальном движении с заданными параметрами E0м Pм ; коэффициент эффективности использования полной энергии k , p.п S и коэффициент эффективности преобразования электрической энергии Pэ k ; коэффициент мощности ; коэффициент искажений kи. Для p.п S оценивания энергетических характеристик при несинусоидальных режимах работы в нелинейных системах использованы эквивалентная реактивная мощность за период Qэ S P2 и цикл экскавации Qэ S2 P2 ;
T реактивная мощность за период Q itHitdt и цикл экскавации T Tц Qц itHitdt, Hit - преобразование Гильберта.
Tц При компьютерном моделировании использованы средства MATLAB и приложений Simulink и SimPowerSystems, дополненные специальными и модифицированными блоками компонентов мехатронных систем, применяемых в современных экскаваторах. В разработанных блоках отражены диссипативные характеристики компонентов и перспективные алгоритмы управления. М-файлы реализованы с использованием программ, использующих структурный метод численного решения нелинейных дифференциальных уравнений.
При структурном методе моделирования динамических систем вида y f ( y,u,t), (1) где y - вектор координат системы; u - вектор внешних воздействий; t - время, аппроксимируется не вся правая часть (1) или решения y(t), а только входная координата u(t), полиномами различного порядка на каждом шаге ti,ti1. Разностное уравнение и решение получаются с помощью операторных методов. Экстраполяция первого порядка на интервале ti,ti1 обеспечивает высокую точность решения при простоте вычислительных процедур и повышенные точность и устойчивость.
Для оценивания электрической мощности и расхода электрической энергии при измерениях и моделировании используется классический алгоритм, предусматривающий аналого-цифровое преобразование сигналов, пропорциональных току и напряжению, умножение цифровых кодов и суммирование произведений за фиксированный интервал времени, например, период напряжения питающей сети. На основе анализа и моделирования нелинейного дискретного преобразования сигналов получена приближенная формула для расчета погрешностей, обусловленных квантованием:
UI 2 2 42UI P sin sin 2 cos , (2) N 3N 3N 3N где U и I - измеряемые напряжение и ток; U0 и I0 - максимальные возможные значения преобразуемых сигналов соответственно напряжения и тока; - фазовый сдвиг между напряжением и током; N - количество точек отсчета на периоде; n - число разрядов АЦП.
NIПри малых токах Iд погрешность измерения оценивается по 2nUIприближенной формуле P .
6 2nИз (2) следует, что составляющие погрешности имеют разные знаки, поэтому возможна их частичная компенсация и, следовательно, повышение точности оценивания; погрешность, обусловленная квантованием при N 2n определяется только дискретизацией по времени; дискретизация по уровню оказывает влияние при малых значениях сигналов и определяет порог чувствительности преобразователя; погрешность, обусловленная квантованием, обратно пропорциональна N, и возрастает при увеличении фазового сдвига между током и напряжением В третьей главе приведены результаты исследования и сравнительного анализа энергетических процессов в мехатронных системах типовых и проектируемых экскаваторов.
Вычислительные эксперименты проводились с использованием моделей мехатронных комплексов экскаваторов ЭКГ-12. Имитационное моделирование выполнялось для цикла работы трех приводов главного движения.
При этом использовались типовые диаграммы скоростей и нагрузок приводов, составленные заводом-изготовителем (ИЗ-КАРТЭКС). Рассматривались следующие варианты мехатронных комплексов экскаватора ЭКГ-12:
- генератор постоянного тока - двигатель постоянного тока (Г-Д);
- тиристорный выпрямитель - двигатель постоянного тока (ТП-Д);
- активный выпрямитель - емкостный накопитель - транзисторный преобразователь - двигатель постоянного тока (ТрП-ДПТ);
- управляемый выпрямитель - емкостный накопитель на основе суперконденсатора - транзисторный преобразователь - двигатель постоянного тока (УВ-СК-ДПТ);
- активный выпрямитель - емкостный накопитель на основе суперконденсатора - транзисторный преобразователь - двигатель постоянного тока (АИН-АД).
В таблице приведены сравнительные данные по энергетическим характеристикам экскаватора ЭКГ-12 с различными системами управления, полученные моделированием за цикл экскавации.
Полученные результаты моделирования свидетельствуют о том, что:
- применение активного выпрямителя позволяет получить коэффициент мощности, равный 1, во всех режимах работы;
- по сравнению с системой Г-Д транзисторный привод обеспечивает снижение электропотребления за цикл экскавации более, чем на 10%, при этом полная потребляемая мощность снижается более, чем на 50%;
- использование суперконденсаторов обеспечивает снижение электропотребления на 5 - 10% за счет использования рекуперированной энергии движущихся масс.
Энергетические показатели экскаваторов ЭКГ-12 с различными системами управления Система Г-Д ТПЦ ТрП- УВ- АИН управления ДПТ ДПТ СК- - АД ДПТ 1. КПД, % 66 83 62 80 2. Коэффициент мощно- 0,3Е0,8* 0,4Е0,8 1,0 0,9 сти 3. Энергопотребление за 20,0 14,5 16 19,2 26,цикл, МДж 4. Механическая энергия 13,3 12,1 12,7 12,4 12,за цикл, МДж 4. Потери в электрических машинах и электронных 5,9 2,36 7,6 3,компонентах * опережающий ток В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований, анализ способов повышения энергетической эффективности мехатронных систем и практические приложения разработанных моделей для совершенствования мехатронных систем экскаваторов.
Полученные теоретические результаты подтверждены экспериментальными исследованиями электроэнергетических процессов на экскаваторах ЭКГ-12 (Оленегорский ГОК). На рис. 3 показаны экспериментальные диаграммы активной и полной мощностей, зарегистрированных на экскаваторах ЭКГ-12 с различными системами управления.
Адекватность составленных моделей подтверждена результатами сравнения экспериментальных исследований и вычислительных экспериментов:
- статических и динамических характеристик в лабораторных условиях;
- энергетических характеристик отдельных компонентов в лабораторных условиях;
- диаграмм токов и напряжений в системе электропитания мехатронного комплекса экскаватора ЭКГ-12;
- энергетических показателей ЭКГ-12 за цикл экскавации.
а б Рис. 3. Диаграммы активной и полной мощностей, потребляемых экскаваторами ЭКГ-12, а - система Г-Д, б - система ТрП-Д Валидация модели, выполненная сравнением параметров энергетических процессов за цикл экскавации, получаемых на модели и на реальном экскаваторе. При исследовании 20 выборок было установлено среднее значение электропотребления за цикл Eп 14,86 МДж; среднеквадратическое отклонение sE 2,9 МДж. Доверительный интервал при уровне значимости =0,05 составил 13,51 Eп 16,21[МДж]. Расхождение между средним экспериментальным значением и результатом, полученным при моделировании (16 МДж), равно 9%. Следовательно, экспериментальные данные не противоречат предположению об адекватности моделей.
Рассмотрены основные способы повышения эффективности использования энергетического ресурса, объединяющего все компоненты системы:
улучшение энергетических характеристик всех элементов, управление электроэнергетическими процессами по критерию эффективного использования энергетического источника и управление самим энергетическим ресурсом, координация процессов в системе в целом, включая источник энергии и технологический процесс.
Для повышения энергетических характеристик мехатронных систем экскаваторов с транзисторными преобразователями предложена и исследована система с дополнительной обратной связью по мощности. Подчиненные обратные связи переключаются в зависимости от режима работы. При этом обеспечиваются заданные статические характеристики системы и квазиоптимальные по критерию минимума потерь переходные процессы.
На основе математического описания мехатронных комплексов и моделей энергетических процессов разработаны алгоритмы и программные средства контроля сопротивления изоляции и визуализации работы экскаватора.
Для идентификации сопротивления изоляции в электрических системах с преобразователями рода тока разработан и реализован метод контроля сопротивления, основанный на моделировании процесса изменения сопротивления изоляции и прогнозирования аварийной ситуации. Устройства, реализующие предложенный метод, обеспечивают измерение активного сопротивления изоляции при времени измерения 40Е140 мс при повышенной надежности срабатывания защиты.
Для визуализации работы экскаватора предложен и исследован способ, основанный на использовании сигналов задания для приводов главного движения, напряжений и токов двигателей приводов. Информация в цифровой форме имеется в системе управления экскаватором и с помощью средств передачи данных передается в пункт наблюдения, где с помощью средств компьютерной графики синтезируется положение основных механизмов машины и строится трехмерное изображение. При этом надежность наблюдения не зависит от времени суток, погодных условий, загрязнения датчиков видеонаблюдения и др.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. В данной диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное значение для создания мехатронных комплексов горных машин, заключающаяся в повышении эффективности использования электрической энергии в мехатронных системах карьерных экскаваторов на основе совершенствования моделей и технологии математического и компьютерного моделирования для проектирования, выбора компонентов и синтеза алгоритмов управления.
2. Сформулированы основные критерии оценки энергетической эффективности мехатронных систем: коэффициенты эффективности использования активной и полной энергии и коэффициент эффективности преобразования электрической энергии, учитывающие соотношения между затраченной энергией, потерями и изменением электропотребления при выполнении технологического процесса.
3. Разработана методика моделирования процессов управления и преобразования энергии в мехатронных системах, основанная на объектноориентированном использовании типового и специального программного обеспечения. При построении математических моделей, а также при аналитических исследованиях используется аппарат дифференциальных уравнений и структурных схем. При компьютерном моделировании использованы средства MATLAB и приложений Simulink и SimPowerSystems и специальные программы, использующие структурный метод численного решения нелинейных дифференциальных уравнений. Примененный подход обеспечивает адекватность моделей реальным мехатронным системам, синтез которых осуществляется путем создания структур и формирования связей между компонентами, а также обеспечивает возможность применения эффективных методов решения нелинейных дифференциальных уравнений.
4. Выполнены моделирование и сравнительный анализ энергетических характеристик мехатронных систем и их основных компонентов (двигателей постоянного и переменного тока, выпрямителей, тиристорных и транзисторных преобразователей, питающих подсистем, трансформаторов). На основе вычислительного эксперимента получены количественные оценки коэффициентов эффективности использования активной и полной мощности и преобразования энергии за цикл экскавации.
5. Выполнено компьютерное моделирование и на его основе проведен сравнительный анализ мехатронных систем экскаваторов с перспективными схемотехническими решениями: приводами постоянного тока с транзисторными и тиристорными преобразователями, активными выпрямителями, суперконденсаторами, асинхронными двигателями. Показано, что применение статических преобразователей в составе мехатронных систем экскаваторов позволяет уменьшить расход электрической энергии по сравнению с традиционной системой Г-Д на 15 - 20%. Показано, что применение новых полупроводниковых преобразователей в мехатронных системах карьерных экскаваторов обеспечивает снижение удельного электропотребления при погрузке до 0,18Е0,24 кВт*ч/м3.
6. Разработана новая структурная схема мехатронного комплекса экскаватора с использованием рекуперированной энергии в рабочем цикле с помощью электрического накопителя на основе суперконденсаторов. Использование накопителя позволяет повысить КПД системы на 5Е10%.
7. Выполнен анализ погрешностей цифрового способа измерения активной мощности. На основе приближенного анализа и компьютерного моделирования показано, что погрешность, обусловленная квантованием при N 2n определяется только дискретизацией по времени; дискретизация по уровню оказывает влияние при малых значениях сигналов и определяет порог чувствительности преобразователя.
8. Разработаны прогнозирующая модель деградационных процессов в изоляции и усовершенствованный алгоритм идентификации электрического сопротивления изоляции в мехатронных системах экскаваторов. Применение разработанного алгоритма обеспечивает непрерывный контроль и минимальное время и повышенную надежность определения нарушения сопротивления изоляции.
9. Предложен способ визуализации работы экскаватора, основанный на построении синтетического изображения движений на основе результатов измерения электроэнергетических процессов при работе электроприводов главного движения.
10. Разработанные модели, математическое и программное обеспечение и схемотехнические решения, в том числе, защищенные патентами РФ на изобретения, использованы при проектировании низковольтных комплектных устройств для одноковшовых экскаваторов (мехлопат) ЭКГ-10, ЭКГ-12, ЭКГ-18 в Компании Объединенная Энергия, г. Москва.
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:
Статьи в журналахиз перечня ВАК РФ:
1. Малафеев С.И., Малафеев С.С., Серебренников Н.А. Моделирование энергетических процессов в мехатронных системах одноковшовых экскаваторов / Горное оборудование и электромеханика. 2011, № 5. - С. 24 - 29.
2. Малафеев С.С., Черняев А.В. Визуализация работы экскаватора / Информационные технологии, 2011, № 10. - С. 70 - 71.
3. Малафеев С.С., Черняев А.В. Исследование и моделирование процессов в многодвигательной мехатронной системе с зазорами в механической передаче / Информационно-измерительные и управляющие системы. 2011, № 9. - С. 97Ц102.
Патенты РФ:
4. Патент РФ № 2410498, МПК E02F 9/20; G05D 1/10. Способ визуализации работы экскаватора / С.И. Малафеев, С.С. Малафеев. - Опубл.
27.01.2011. Бюл. № 3.
5. Патент РФ № 2437109, МПК G01R 27/18. - Способ контроля электрического сопротивления изоляции и защитного отключения электрооборудования / С.И. Малафеев, С.С. Малафеев, Н.А. Серебренников. - Опубл.
20.12.2011. Бюл. № 35.
6. Патент РФ № 2433520, МПК Н02Р 5/46; Е02А 9/20. Система электропитания главных приводов экскаватора / С.И. Малафеев, С.С. Малафеев, Н.А. Серебренников. - Опубл. 10.11.2011. Бюл. № 31.
Материалы научных конференций:
7. Малафеев С.И., Малафеев С.С. Исследование и моделирование процессов в электропитающих устройствах мехатронных систем / Материалы XVI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППСТ2009), 25 - 31 мая 20г., г. Алушта. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. - С. 508 - 510.
8. Малафеев С.С. Моделирование электроэнергетических процессов в мехатронной системе // Международная конференция по дифференциальным уравнениям и динамическим системам. Тезисы докладов. Суздаль, 2 - июля 2010 г. - С. 126.
9. Малафеев С.С. Повышение эффективности мехатронных систем с использованием накопителей энергии // Исследование, проектирование, испытания и эксплуатация информационно-измерительных устройств военной техники. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Владимир, 6 - 8 октября 2010 г. - М.: Российская академия ракетных и артиллерийских наук, 2010. - С. 115 - 116.
10. Малафеев С.И., Малафеев С.С. Моделирование аналого-цифрового преобразователя электрической мощности / Материалы XVII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППСТ2011), 25 - 31 мая 2011 г., г. Алушта. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2011. - С. 705 - 707.
ичный вклад соискателя.
[1, 3, 7, 10] Цразработка математических моделей, составление компьютерных моделей, проведение вычислительных экспериментов, 50%; [2] - разработка функциональной схемы, 60%; [4 - 6] - разработка функциональных схем, проведение вычислительных экспериментов, подтверждение адекватности, 50%.
Подписано в печать 23.04.12.
Формат 60х84/16. Бумага для множит. техники. Гарнитура Times. Печать на ризографе. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 0,97. Тираж 100 экз. Заказ № 1Отпечатано в ФГУ Типография на Нижегородской г. Владимир, Б. Нижегородская, д. 88. Т/ф (4922) 322-1
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям