Автоматизация сложных электромеханических объектов энергоемких производств
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Автоматика
Издательство:
Инфра-Инженерия
Авторы:
Маренич Константин Николаевич, Дубинин Сергей Васильевич, Никулин Эдуард Константинович, Ковалёва Инна Владимировна, Неежмаков Сергей Владимирович
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 240
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-9729-0758-8
Артикул: 766483.01.99
Рассмотрены особенности устройства и функционирования типовых сложных электромеханических объектов энергоемких производств на примере технологического оборудования горного предприятия. Особое внимание уделено принципам построения математических моделей указанных объектов, включая учет совокупности возмущающих факторов и реализацию функции автоматического поддержания параметров на заданном уровне. Освещены перспективные направления усовершенствования схемотехники указанных технических решений. Для студентов вузов, изучающих автоматизацию технологических процессов и производств. Может быть полезно специалистам в области автоматизации и горного дела.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.04: Автоматизация технологических процессов и производств
- ВО - Специалитет
- 21.05.04: Горное дело
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
АВТОМАТИЗАЦИЯ СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ЭНЕРГОЕМКИХ ПРОИЗВОДСТВ Учебное пособие Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021 1
Рекомендовано ученым советом
ГОУВПО «Донецкий национальный
технический университет» в качестве
учебного пособия для студентов высших
учебных заведений, протокол № 5
от 27.11.2020 г.
УДК 681.527.2(075.8)
ББК 32.965.3
А18
А в т о р ы :
К. Н. Маренич, С. В. Дубинин, Э. К. Никулин, И. В. Ковалёва, С. В. Неежмаков
Р е ц е н з е н т ы :
заведующий кафедрой технической теплофизики Донецкого национального
технического университета д-р техн. наук, проф. А. Б. Бирюков;
заведующий кафедрой робототехнических систем Белорусского
национального технического университета (г. Минск) д-р техн. наук, проф. Г. Н. Здор;
главный научный сотрудник ГУ «Автоматгормаш им. В. А. Антипова» (г. Донецк)
д-р техн. наук, проф. В. И. Силаев
А18
Автоматизация сложных электромеханических объектов энергоемких производств : учебное пособие / [К. Н. Маренич и др.]. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. – 240 с. : ил., табл.
ISBN 978-5-9729-0758-8
Рассмотрены особенности устройства и функционирования типовых сложных
электромеханических объектов энергоемких производств на примере технологического оборудования горного предприятия. Особое внимание уделено принципам построения математических моделей указанных объектов, включая учет совокупности возмущающих факторов и реализацию функции автоматического поддержания параметров на заданном уровне. Освещены перспективные направления усовершенствования
схемотехники указанных технических решений.
Для студентов вузов, изучающих автоматизацию технологических процессов и
производств. Может быть полезно специалистам в области автоматизации и горного
дела.
УДК 681.527.2(075.8)
ББК 32.965.3
ISBN 978-5-9729-0758-8 Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
2
СОДЕРЖАНИЕ Введение ............................................................................................... 6 РАЗДЕЛ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ АВТОМАТИЗАЦИИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ МАШИН ................................................ 7 1.1. Классификация, компоновочные решения и особенности устройства электромеханических систем подачи добычных комбайнов ............................................................................................. 7 1.2. Структура сложных электромеханических объектов угледобычных комплексов .................................................................. 12 1.2.1. ЭМП на базе преобразователя частоты .................................... 15 1.2.2. Электромеханический преобразователь на базе двигателя постоянного тока ................................................................ 19 1.2.3. Электропривод переменного тока с использованием электромагнитных муфт и тормозов скольжения ............................. 24 1.2.4. Электропривод переменного тока с использованием электромагнитных фрикционных муфт ............................................. 31 1.3. Анализ факторов влияния на параметры системы подачи очистного комбайна в условиях забоя шахты ................................... 41 1.4. Принципы обоснования структуры и параметров моделей сложных электромеханических объектов угледобычных комплексов (на примере модели вынесенной системы подачи очистного комбайна с электромагнитными муфтами скольжения) .......................................................................................... 49 РАЗДЕЛ 2. ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНВЕЙЕРОВ И ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ОБЪЕКТОВ КОНВЕЙЕРНОГО ТРАНСПОРТА ................................................................................... 58 2.1. Забойные скребковые конвейеры ................................................ 58 2.1.1. Скребковый конвейер как сложный электромеханический объект. Определение области применения средств автоматического управления и защиты ............................................. 58 2.1.2. Особенности влияния гидромуфты на динамические показатели кинематической схемы скребкового конвейера ............ 65 2.1.3. Задачи автоматизации управления работой многоприводного скребкового конвейера и концепция построения модели объекта ................................................................ 78 3
2.1.4. Особенности применения двухскоростного асинхронного двигателя в электроприводе скребкового конвейера........................ 85 2.2. Ленточные конвейеры .................................................................. 89 2.2.1. Ленточный конвейер как сложный электромеханический объект автоматического управления .................................................. 89 2.2.2. Принципы анализа пускового режима конвейера как электромеханической системы ........................................................... 94 2.3. Примеры технических решений в области автоматизации электроприводов в условиях возникновения перегрузок ................. 108 2.3.1. Принципы выявления динамических перегрузок электроприводов .................................................................................. 108 2.3.2. Свойства квазичастотного управления в контексте воздействия на электромеханические характеристики асинхронных двигателей ..................................................................... 114 РАЗДЕЛ 3. ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА, ЭКСПЛУАТАЦИИ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ И ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ЛОПАСТНЫМИ НАГНЕТАТЕЛЯМИ РАДИАЛЬНОГО ТИПА ................................................................... 128 3.1. Шахтные стационарные электромеханические установки с центробежными нагнетателями ....................................................... 128 3.1.1. Общие сведения, конструктивные и компоновочные решения лопастных нагнетателей радиального типа ....................... 128 3.1.2. Основные параметры центробежных нагнетателей и факторы, влияющие на их работу ................................................... 133 3.1.3. Условия функционирования и задачи автоматизации шахтных стационарных установок ..................................................... 135 3.2. Особенности конструкции и функционирования технических средств автоматизации шахтных стационарных установок .............................................................................................. 137 3.2.1. Анализ типовых технических схем электромеханических установок с центробежными нагнетателями и их состояний .......... 137 3.2.2. Особенности применяемых способов регулирования параметров шахтных стационарных установок ................................ 144 3.3. Методы исследования параметров электромеханических систем с лопастными турбомашинами радиального типа ............... 159 4
3.3.1. Методика подбора эмпирических формул для математического описания статических характеристик отдельных звеньев и объектов регулирования .................................. 160 3.3.1.1. Подбор формул для гидравлических расчётов лопастных турбомашин радиального типа ........................................ 161 3.3.1.2. Подбор эмпирических формул для расчётов местных сопротивлений дросселирующих органов ......................... 162 3.3.2. Методика определения коэффициентов статической характеристики вентиляторной установки ........................................ 163 3.3.3. Динамика процесса разгона потока воздуха в вентиляционной сети при пуске вентиляторной установки ......... 166 3.3.4. Динамические характеристики водоотливной установки в пусковом режиме .............................................................................. 171 3.3.5. Математическое описание основных звеньев системы автоматического регулирования водоотливной установки ............. 177 3.3.6. Условия устойчивой работы обратного клапана в пусковом режиме водоотливной установки ................................... 186 3.3.7. Методы исследования динамических характеристик гидротранспортных установок ........................................................... 189 3.3.7.1. Общие сведения о специфике работы шахтных гидротранспортных установок ........................................................... 189 3.3.7.2. Гидротранспортная установка как объект регулирования ...................................................................................... 191 3.3.7.3. Математическое описание отдельных звеньев объекта ...... 194 РАЗДЕЛ 4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ .................................. 207 4.1. Устройство и особенности эксплуатации электромеханического оборудования теплоэнергетических объектов ................................................................................................ 207 4.2. Структура, параметры и принципы исследования моделей электромеханических систем теплоэнергетических объектов ........ 214 4.3. Системы автоматизации электромеханических компонентов теплоэнергетических объектов .................................... 222 Приложение ......................................................................................... 233 Список литературы ........................................................................... 235 5
ВВЕДЕНИЕ Энергоёмкие производства, как правило, предполагают применение мощных и сложных по конструкции технологических установок, содержащих большое количество электромеханических устройств с распределёнными параметрами. Их эксплуатация отличается наличием разнообразных факторов воздействия, влияющих в соответствии с теми или иными закономерностями либо стохастически. В связи с этим усложняются задачи автоматизации технологических процессов с использованием сложных электромеханических устройств в условиях энергоёмких производств. Их решение требует умения и навыков грамотного, рационального представления процессов функционирования технологической установки средствами математического и компьютерного моделирования. Горное предприятие относится к энергоёмким производствам и концентрирует целую совокупность различных сложных технологий: добыча полезных ископаемых, их транспортировка, водоотлив, теплоэнегетические процессы на технологическом комплексе поверхности и т. д. Примеры исследования работы рудничного технологического оборудования в условиях воздействия совокупности возмущающих факторов с учётом решения задачи автоматического поддержания заданных технических параметров являются типичными в области изучения особенностей эксплуатации сложных электромеханических установок энергоёмких производств. Подготовка учебного пособия базируется на многолетнем опыте преподавания учебных дисциплин, профильных для кафедры горной электротехники и автоматики им. Р. М. Лейбова Донецкого национального технического университета, результатах научных исследований и разработок авторов этого учебного пособия, а также выдающихся отечественных и зарубежных учёных, специализирующихся в вопросах автоматизации сложных электромеханических объектов энергоёмких производств. Учебное пособие предназначено для подготовки магистров по автоматизации технологических процессов и производств и может быть полезно для аспирантов, проводящих исследования в данной области. 6
РАЗДЕЛ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ АВТОМАТИЗАЦИИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ МАШИН Учебной целью раздела является приобретение студентами знаний о внедрении рациональных методов исследования состояний сложного электромеханического оборудования угледобывающих комплексов при условии учета совокупности влияющих факторов и учета полученных параметров при построении средств автоматического управления. Результатом усвоения студентами материала раздела является умение разрабатывать и исследовать модели сложных электромеханических объектов угледобывающих комплексов, применяя при этом корректные допущения о параметрах влияния внешних факторов, и обосновывать структуру и параметры средств автоматического управления этими объектами. 1.1. Классификация, компоновочные решения и особенности устройства электромеханических систем подачи добычных комбайнов Добычной комбайн – комбинированная горная машина, предназначенная для механизации технологических операций в очистном забое шахты по отделению полезных ископаемых от массива пласта и погрузке его на транспортное средство. Несмотря на разнообразие компоновочных решений, очистные комбайны различных типов имеют одинаковые по назначению структурные составляющие, а именно: x исполнительный орган – предназначен непосредственно, для разрушения горного массива, отделения от массива полезного ископаемого и погрузке его на горную транспортную машину; x встроенный или вынесенный механизм подачи (перемещение комбайна вдоль линии очистного забоя или в сторону очистного забоя) [1]. Движение исполнительного органа и механизма подачи обеспечивается работой электрических (в некоторых типах) приводов, кинематическая схема которых предполагает передачу вращательного момента от двигателя на вал соответствующего механизма через ре7
дуктор. В некоторых типах комбайнов со встроенным механизмом подачи предусмотрено применение одного приводного двигателя, момент от которого передается на механизмы (исполнительные органы и механизм подачи) через совокупность редукторов (рис. 1.1). Рисунок 1.1 – Обобщенная компоновочная схема узкозахватного очистного комбайна со встроенным механизмом подачи: 1 – исполнительный орган (шнек); 2 – место расположения редуктора исполнительного органа; 3 – место расположения редуктора механизма подачи; 4, 5 – электродвигатели; 6 – опорные лыжи; 7, 8 – нагрузочные щиты, соответственно, в транспортном (7) и рабочем (8) положениях По ширине захвата (Вз) исполнительного органа различают широкозахватные (Вз > 1 м) и узкозахватные (Вз 1 м) комбайны. В зависимости от угла падения (Į) угольного пласта добычные комбайны по назначению подразделяются на комбайны для пологих (Į 35°) пластов и комбайны для крутонаклонных (Į 35°) пластов. По крепости (Нпл) разрабатываемых угольных пластов различают комбайны для тонких пластов (Нпл < 1,2 м); для пластов средней мощности (1,2 Нпл 2,5 м); для пластов большой мощности (Нпл > 2,5 м). Динамические показатели работы очистного комбайна определяются взаимным влиянием приводов резания и подачи, а также влияющей функцией, создаваемой силами сопротивления со стороны разрабатываемого угольного пласта и устройств, направляющих перемещение комбайна вдоль угольного пласта. 8
В соответствии с классификацией (таблица 1.1) системы подачи (перемещения) очистных комбайнов подразделяются на две группы: встроенные системы подачи и вынесенные системы подачи. Таблица 1.1 ПРИВОДЫ ПОДАЧИ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ ВСТРОЕННЫЕ ВЫНЕСЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ На основе двигателя постоянного тока На основе частотноуправляемого асинхронного двигателя На основе электромагнитного тормоза скольжения На основе электромагнитной муфты или тормоза скольжения Тип применяемого тягового органа (механизма): Цепной механизм подачи Бесцепной механизм подачи Бесцепной механизм подачи Бесцепной механизм подачи Цепной механизм подачи Встроенная система подачи (перемещения) находится непосредственно в комбайне. При этом механизм перемещения может предусматривать применение гибкого (цепного) тягового органа или бесцепной (рейковый) механизм подачи. В качестве гибкого тягового органа встроенной системы подачи применяют круглозвенную цепь, протянутую вдоль очистного забоя и закрепленную на приводах забойного скребкового конвейера. В этом случае движение комбайна вдоль линии очистного забоя осуществляется за счет обкатки звездочек 2 исполнительного механизма привода подачи вдоль круглозвенной цепи 1 (рис. 1.2, а). При применении жесткого тягового органа (рис. 1.2, б) перемещение комбайна осуществляется с помощью зубчатого (цевочного) колеса 4, вращающегося сцепляясь с зубцами (цевками) рейки 3, закрепленной на забойном скребковом конвейере. В промышленности применяют комбайны с нерегулированным или регулированным приводом подачи. Регулирование скорости подачи может осуществляться: x изменением частоты вращения гидромотора путем изменения подачи насоса, который в свою очередь, приводится в действие валом асинхронным двигателем; 9
x изменением частоты вращения приводного двигателя постоянного тока при применении управляемого тиристорного выпрямителя в цепи его якоря; x изменением частоты вращения вала приводного асинхронного двигателя при применении силового вентильного преобразователя частоты в цепи его статора. Рисунок 1.2 – Устройство средств перемещения комбайна со встроенной системой подачи: а – гибкий тяговый орган; б – рейковый механизм; 1 – круглозвенная цепь; 2 – звездочки исполнительного механизма привода подачи; 3 – рейка; 4 – зубчатое (цевочное) колесо Рисунок 1.3 – Схема перемещения комбайна с вынесенной системой подачи: 1 – комбайн; 2 – привод ВСП; 3 – гибкий тяговый орган (цепь) 10