Управление электромеханическими системами горных машин

М Г Г У 

московский 

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

Председатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 

Зам. председателя 

JI.X. 
ГИТИС 

Члены редсовета 

И.В.ДЕМЕНТЬЕВ 

A. П. ДМИТРИЕВ 

Б.А. КАРТОЗИЯ 

М.В. КУРЛЕНЯ 

В.И. ОСИПОВ 

Э.М. СОКОЛОВ 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 

В.В. ХРОНИН 

B. А. ЧАНТУРИЯ 

Е.И. ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

МОСКОВСКОГО 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

ректор 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

директор 
Издательства МГГУ 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

академик МАН 
ВШ 

академик 
РАН 

профессор 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

A. В. ПяхомскиО 
B. Н. Шащипенко 

У П Р А В Л Е Н И Е 
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ 

СИСТЕМАМИ 
ГОРНЫХ МАШИН 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

2 0 0 4 

УДК 622:621.3 
ББК 33.31 
Л 98 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям 
книжным для взрослых СанПиН 1.2.1253—03», утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. 

Рецензенты: 
• 
д-р техн. наук, проф., научный руководитель ОАО ВНИИЭ 
Ю. Г. Шакарян ; 
• 
д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель наук РФ В.В. Алексеев 
(МГГРУ) 

Ляхомский А.В., Фащиленко В.Н. 

Л 98 
Управление электромеханическими системами горных машин. — М.: Издательство Московского государственного горного 
университета, 2004. — 296 с. 

ISBN 5-7418-0333-4 (в пер.) 
Рассмотрены вопросы анализа и синтеза структур управления электромеханическими системами горных машин. Определены области демпфирования колебаний с разомкнутой и замкнутой цепью воздействия. Предложен синтез систем управления с параллельной и последовательной коррекцией с применением модифицированного метода нормированных передаточных функций для ограничения динамических нагрузок в электромеханических системах горных машин. Рекомендованы средства активного 
управления колебательными процессами в электромеханической системе 
для получения заданных энергетических свойств, направленных на энергосбережение в технологических процессах резания горной массы. 

Для инженерно-технических работников, специализирующихся в области ограничения динамических нагрузок в электромеханических системах и энергосбережения средствами электропривода. Может быть полезна 
студентам и аспирантам горных вузов и факультетов. 

Табл. 21, ил. 58, список лит. — 69 назв. 

УДК 622:621.3 
ББК 33.31 

ISBN 5-7418-0333-4 
- 
© А.В. Ляхомский, В.Н. Фащиленко, 2004 
© Издательство МГГУ, 2004 
©Дизайн книги. Издательство 
МГГУ, 2004 

Посвящается 
памяти 
Николая Григорьевича Переслегина 
— 
ученого, учителя и человека 

ВВЕДЕНИЕ 

В горной промышленности повышение производительности 

достигается в основном за счет увеличения единичной мощности электрооборудования и интенсификации производственных 

процессов. При этом стремление к снижению материалоемкости 

машин и увеличению быстродействия электропривода привело к 

тому, что на их работу стало оказывать влияние упругости конструкций, трансмиссий и возникающих вследствие этого упругих механических колебаний. Упругие механические колебания 

отрицательно сказываются на качестве управления технологическим процессом, увеличивают динамические нагрузки механизмов, способствуют накоплению усталостных напряжений в 

кинематических цепях, что приводит к преждевременным отказам и незапланированным простоям оборудования, возрастанию 

стоимости ремонтов и эксплуатации. 

Динамические усилия, возникающие в упругих элементах 

кинематических цепей, особенно вредны для мощных установок, работающих в условиях резкопеременных нагрузок, что характерно для горных машин и установок. Так, например, в механических передачах экскаваторов, буровых установок максимальные упругие усилия в 3,0—3,5 раза превышают установившиеся или средние значения [25, 51]. Многочисленными экспериментальными исследованиями [2, 8, 24, 31, 46, 47, 55, 68] установлено, что фактические нагрузки в элементах конвейерной 

установки превышают расчетные в 2—3 раза, что вызывает дополнительный износ дорогостоящей ленты и снижение срока ее 

службы. Проблема усугубляется тем, что наиболее опасные частоты, ведущие к разрушению механических конструкций, нахо
5 

дятся в диапазоне от 1 до 10 Гц. Экспериментально установлено, что при переходе от средних частот нагружения 30—50 Гц к 

низким частотам 0,15—0,25 Гц 
происходит снижение долговечности работы механических конструкций в 4—6 раз [21]. 

Исследования 
ВНИИМетмаша 
[18] показали, что 
около 

70 % общего числа разрушений деталей металлургических машин являются следствием усталостных напряжений, в создании 

которых значительную роль играют часто повторяющиеся пиковые динамические нагрузки, обусловленные упругими механическими колебаниями и наличием зазоров в передачах. Установлена прямая связь между частотой отказов деталей и упругими механическими 
колебаниями. На механическую 
часть 

карьерных экскаваторов приходится 60—65 % от всех отказов. 

Простои, связанные с ликвидацией этих отказов, составляют 

70—80 % от всех простоев в аварийных ремонтах. Расходы на 

ремонт и обслуживание карьерных экскаваторов за весь период 

их эксплуатации в 6—10 раз превышают их первоначальную 

стоимость [53]. Поэтому устранение колебательного характера 

нагрузок способствует повышению долговечности и эффективности эксплуатации оборудования. 

Внедрение в конце 60-х, начале 70-х годов в различные отрасли промышленности 
быстродействующих 
тиристорных 
и 

транзисторных электроприводов создало предпосылки для решения средствами электроприводов проблемы отрицательного 

влияния упругих механических колебаний. Усилиями научных 

коллективов под руководством Ю.Б. Борцова, Б.Ш. Бурыгина, 

Г.М. Иванова, В.И. Ключева, Н.Г. Переслегина, Г.Я. Пятибрато
ва, Л.Н. Рассудова, Г.Г. Соколовского, В.М. Терехова, а также 

иностранных ученых О. Becker, G. Christen, Ohnishi 
Konhei, 

С. Rautz и др. были выполнены исследования, которые составили теоретическую основу нового раздела автоматизированного 

электропривода — теории электромеханических систем с упругими механическими связями. 

Влияние упругих механических связей часто делает практически невозможным применение для систем с упругими связями 

6 

оптимальных для жесткой системы корректирующих устройств, 

поскольку качество переходного процесса оказывается неудовлетворительным. 
Поэтому 
показатели 
качества 
переходного 

процесса после наладки системы могут быть в десятки раз отличаться от расчетных [9]. Вследствие этого для обеспечения надежной и высокопроизводительной работы машин необходимо 

выявить оптимальные законы движения упруго связанных масс 

механизмов и разработать способы формирования этих законов. 

Ограничение динамических нагрузок посредством использования демпфирующих свойств электропривода является наиболее перспективным. В работах [9, 14, 15, 2 1 , 24, 25, 28, 39, 40, 

43, 44, 45, 46, 52, 55] рассмотрены вопросы демпфирования колебаний в упругой электромеханической системе и ограничения 

динамических нагрузок за счет электропривода, 
предложены 

обобщенные 
параметры, позволяющие оценить эти демпфирующие свойства, а также методы оценки влияния упругих связей на динамические свойства электропривода с использованием коэффициента электромеханической связи. 

Наиболее просто ограничение динамических нагрузок при разомкнутой системе управления электроприводом достигается набором заданных параметров электромеханической системы, таких, 

как соотношения масс, электромагнитных и электромеханических 

постоянных времени, частот собственных колебаний и др. [40, 44, 

45, 46]. По мере отклонения параметров от оптимальных демпфирующее действие электропривода ослабляется и становится незначительным. Кроме того, в реальных системах получить указанные 

параметры не всегда возможно при заданных параметрах механической части системы. Наиболее эффективным поэтому является 

применение замкнутых систем управления электроприводом, которые обеспечивали бы заданные динамические свойства с ограничением нагрузок. При этом могут быть использованы различные 

структуры систем управления. 

В существующих двухконтурных системах 
подчиненного 

регулирования учет наличия упругой механической связи сводится к выбору нужной настройки регулятора тока и регулятора 

7 

скорости двигателя. В работах [ 1 , 7, 9, 35] даны рекомендации 

по настройке таких систем в зависимости от их параметров. 

Вместе с этим не во всех случаях настройкой регуляторов удается добиться удовлетворительных результатов. Для улучшения 

качества переходных процессов дополнительно используют последовательную и параллельную коррекцию с целью подавления резонансного пика логарифмическо-амплитудной характеристики объекта регулирования разомкнутого контура скорости 

на частоте упругих колебаний системы. В ряде случаев системы 

с последовательной коррекцией выполняются с использованием 

пассивных и активных фильтров, устанавливаемых на выходе 

регулятора 
скорости. 
Кроме 
этого 
применяются 
«скорректированные» регуляторы, имеющие необходимые свойства для 

компенсации влияния упругости в результате установки на них 

дополнительных комплексных сопротивлений, а также используются дополнительные усилители, образующие компенсирующее устройство в прямом канале регулирования [9, 21]. Однако 

такие устройства не нашли широкого применения, так как основным недостатком таких систем является трудность точной 

настройки на резонансный пик и практическая невозможность 

настройки при переменных параметрах 
электромеханической 

системы. 

Параллельная коррекция служит для формирования таких 

управляющих воздействий на контуры регулирования, которые 

позволили бы системе активно противодействовать упругим 

колебаниям. Она осуществляется с помощью корректирующих 

устройств 
параллельного 
типа, создающих 
демпфирующий 

момент на частоте колебаний системы со сдвигом по фазе на 

180° [59] или введением на регуляторы различных обратных 

связей 
[ 1 , 9, 2 1 , 25, 26, 27, 35, 39, 40, 54]. 
Недостаток 

рассмотренных решений — отсутствие строгого метода выбора рациональной для конкретных" условий структуры системы 

управления и ее оптимальных параметров. 

Удобным для практического использования является предложенный в работах [7, 25, 26, 39] метод частотного синтеза 

8 

двухмассовых электромеханических систем по динамической 

жесткости механических характеристик электропривода. В этих 

работах рассмотрен синтез с использованием обратных связей 

только по переменным двигателя (току и угловой скорости). 

При этом 
не обеспечиваются 
необходимые 
демпфирующие 

свойства электропривода при малых соотношениях движущихся 

масс: y = J
z / J
l <2. Кроме того, в процессе синтеза необходимо 

выполнять достаточно сложные структурные 
преобразования 

для определения фактической передаточной функции звена динамической жесткости. 

Для ограничения динамических нагрузок в электромеханических системах с малым значением у необходимо применение 

отрицательных обратных связей по нагрузке в упругом элементе 

[12, 17, 51, 54, 64]. С использованием этого принципа предложены структуры с суммирующим усилителем [17, 64] и построенные по принципу подчиненного регулирования координат [10, 

17,27,51]. 

Наиболее эффективным для демпфирования колебаний является применение обратных связей по производной от нагрузки 

в упругом элементе [12, 17, 40, 51, 54, 64] или по разности скоростей движущихся масс [9, 10, 39], что практически однозначно при неизменной жесткости упругого элемента. 

Кроме того, предложены отличающиеся от систем подчиненного регулирования координат структуры систем автоматического управления для снижения динамических нагрузок, 

при синтезе которых используются следующие методы: оптимального управления [65]; структурного синтеза, обеспечивающего формирование сигнала управления объектом в функции от требуемого закона изменения старшей производной регулируемой 
координаты 
[13]; модального 
управления [11], 

теоретические положения которого получили широкое развитие [ 1 , 34, 35, 56]. Однако для их реализации 
необходимо 

большое количество жестких и гибких обратных связей по 

различным координатам, а также сложных логических переключений в схеме управления. 

9 

Параллельная коррекция, по сравнению с последовательной, обеспечивает более стабильную работу электропривода при 

изменении параметров электромеханической системы. Таковыми являются конвейерные установки, имеющие 
переменную 

массу вследствие изменяющегося грузопотока; струговые установки с переменной жесткостью цепи, зависящей от места нахождения в забое струга; подъемные установки с переменной 

жесткостью каната в зависимости от положения сосуда и т.п. 

Здесь качество переходных процессов зависит от используемых 

в обратных связях порядка производных по нагрузке упругого 

элемента [51]. 

Таким образом, в известных работах по электромеханическим системам с упругими механическими связями рассмотрено 

значительное количество различных структур и схемных решений, однако методы их анализа и синтеза достаточно сложны 

или отсутствуют, а возможные области применения определены 

недостаточно четко. 

В современных условиях особую актуальность приобретают 

вопросы, связанные с энергосбережением в электроприводе. Это 

вызвано опережающим ростом цен на энергоносители. Рост 

энергоемких технологий при возрастающей сложности получения энергии и росте цен на нее определяет все обостряющуюся 

необходимость экономии энергии вообще и электроэнергии, в 

частности. Кроме того, технологические операции усложняются 

и растут требования к качеству их выполнения. Там, где до недавнего времени устраивал простейший неуправляемый электропривод, сегодня необходим управляемый. Этот процесс определяет 
относительное 
уменьшение 
доли 
нерегулируемого 

привода и увеличение регулируемого. Развитие совершенных 

технических средств управления, таких, как силовые полупроводниковые приборы, элементы микроэлектроники, микропроцессорная техника и т.п., создает предпосылки резкого, принципиального расширения выполняемых функций электропривода, 

включая управление режимами, энергосбережение и диагностику неисправностей. 

10