Электромеханические системы транспортирующих механизмов

 
 
В. Ф. Борисенко, А. А. Чепак 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ  
ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022  
 
1 

УДК 621.867:622.6-83:669 
ББК 31.291 
Б82 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения  
промышленных предприятий и городов Донецкого национального  
технического университета Ковалев Александр Петрович; 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой  
горнозаводского транспорта и логистики Донецкого национального  
технического университета Гутаревич Виктор Олегович 
 
 
 
Борисенко, В. Ф. 
Б82  
Электромеханические системы транспортирующих механизмов : 
монография / В. Ф. Борисенко, А. А. Чепак. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 276 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0830-1 
 
Рассмотрены вопросы разработки обобщенных структур электромеханических систем, в которых в качестве базовой используется двухмассовая расчетная схема. Существенное внимание уделено электромеханическим системам 
конвейерного транспорта, дается подробный анализ системы привода на переменном токе с УПТФ. Рассматриваются системы скипового подъема для доменной печи, шахтной подъемной установки с приводным синхронным двигателем. Специальный раздел посвящен практическим аспектам диагностирования. 
Для специалистов в области электромеханических систем автоматизации 
и электропривода. Может быть полезно студентам старших курсов электротехнических и металлургических направлений подготовки. 
 
УДК 621.867:622.6-83:669 
ББК 31.291  
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0830-1 
” Борисенко В. Ф., Чепак А. А., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
В настоящее время для большинства транспортирующих механизмов и устройств в 
качестве электроприводов используются устаревшие системы, обладающие относительно 
невысокими технико-экономическими показателями. Замена электрооборудования на новое 
не всегда представляется возможной из-за отсутствия средств у заказчика. Поэтому основное 
направление сейчас - это поддержание электрооборудования в работоспособном состоянии и 
постоянный контроль за его техническим состоянием. Оценка технического состояния конкретной электромеханической системы начинается с визуального осмотра ЭМС, оценки диапазона изменения нагрузок в пределах рассматриваемого цикла, температуры подшипниковых узлов, температуры двигателя, наличия смазки и т. д. Если появляется необычный шум, 
усиливается вибрация системы, то необходимо прибегнуть к вибродиагностическим методам - измерить виброскорость и виброускорение в характерных точках системы. После 
определения возможных неисправностей устанавливается вид ремонтного воздействия. 
Повышение ресурса системы напрямую связано с ограничением динамических нагрузок элементов ЭМС. Поэтому применение специальных блоков, узлов, ограничивающих токи, моменты, формирующих желаемый характер движения исполнительного органа, поддерживающих коэффициент мощности на оптимальном уровне, будет способствовать продлению срока службы конкретного оборудования. 
3 

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 
Условные обозначения 
U, u - напряжение 
 
I, i - ток 
 
Ȍ - потокосцепление  
R - активное сопротивление  
ȍ - угловая частота вращения 
 
M - момент 
 
L - индуктивность 
 
X - индуктивное сопротивление 
T ௅ постоянная времени 
ȕ - жесткость механической характеристики 
s - скольжение 
 
 
E, e - электродвижущая сила 
 
P - активная мощность 
 
Q - производительность 
 
D - диапазон  
H - давление  
t - время 
Р - оператор Лапласа 
ij - угол поворота, угловой путь 
įij - угловой зазор  
М12 - упругий момент 
J - момент инерции 
ȕ12 - коэффициент вязкого трения 
с12 - жесткость 
ȍ12 - частота свободных колебаний двухмассовой системы 
a ௅ линейное ускорение 
b ௅ коэффициент внутреннего вязкого трения 
C ௅ коэффициент линейной жесткости упругого элемента 
E ௅ линейная жесткость погонного метра упругого элемента 
Ȧ ௅ угловая скорость 
И ௅ угловое ускорение 
F ௅ усилие 
G ௅ сила тяжести 
i ௅ передаточное число механической передачи  
Kдин ௅ коэффициент динамичности  
L, l ௅ длина 
m ௅ масса  
n ௅ скорость (об/мин)  
R ௅ радиус  
4 

οS ௅ линейная слабина каната 
Ԃ ௅ линейная скорость  
Ÿ ௅ угловая частота 
Сокращения 
ЭДС - электродвижущая сила 
АД - асинхронный двигатель 
СД - синхронный двигатель 
УП - управляемый преобразователь 
АИТ - автономный инвертор тока 
АИН - автономный инвертор напряжения 
ЛЧХ ௅ логарифмическая частотная характеристика 
Г-Д ௅ система генератор - двигатель 
ТП-Д ௅ система тиристорный преобразователь - двигатель 
РТ ௅ регулятор тока 
РС ௅ регулятор скорости 
Ф ௅ фильтр 
У ௅ усилитель 
Ш ௅ шунт 
 
В ௅ выпрямитель 
 
Р ௅ редуктор 
Б ௅ барабан 
Т ௅ тормоз 
С ௅ скип 
К ௅ канат 
ЭМС ௅ электромеханическая система 
ЭТР ௅ электронное токовое реле 
О ௅ осциллограф 
П ௅ пружина  
ШПУ - шахтная подъемная установка 
ПЧ-СД ௅ система преобразователь частоты - синхронный двигатель  
5 

СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................................ 3 
 
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 
........................................................................ 4 
 
1. ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ  
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 
................................................................................... 10 
1.1. Расчетные схемы, структуры электромеханических систем 
....................................... 10 
1.2. Применение частотных методов при анализе электромеханических систем 
............ 20 
1.3. Частотный анализ выходного напряжения типовых статических  
преобразователей 
.................................................................................................................... 37 
1.4. Оценка поведения электромеханических систем с приводным асинхронным  
двигателем при типовых возмущениях ................................................................................ 49 
1.5. Экспериментальная оценка технического состояния двухмассовой  
электромеханической системы 
.............................................................................................. 62 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЧАСТИ ПЕРВОЙ ............................................................................ 75 
 
2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОНВЕЙЕРНОГО ТРАНСПОРТА 
................... 77 
2.1. Общие вопросы конвейерного транспорта ................................................................... 77 
2.2. Типовые системы электроприводов конвейерного транспорта 
.................................. 82 
2.3. Электропривод конвейера с пусковым тиристорным устройством ........................... 84 
2.3.1. Поверочный расчет мощности приводных двигателей конвейера ..................... 88 
2.3.2. Оценка пускового режима электромеханической системы конвейера .............. 90 
2.3.2.1. Статические характеристики электропривода .............................................. 90 
2.3.2.2. Переходные процессы в электромеханической системе конвейера  
при действующем УПТФ (пуск) 
.................................................................................. 96 
2.4. Разработка и исследование узла динамического токоограничения  
с целью повышения плавности пуска 
................................................................................. 103 
2.4.1. Схема и принцип работы узла .............................................................................. 103 
2.4.2. Исследование сквозных динамических характеристик узла 
............................. 103 
2.5. Исследование динамики разгона электропривода с контуром динамического  
токоограничения 
................................................................................................................... 107 
2.6. Расчет параметров узла динамического токоограничения 
........................................ 114 
2.7. Оценка степени демпфирования двигателем иглообразных участков  
коммутационных всплесков тока и момента ..................................................................... 125 
2.8. Расчетные электромеханические схемы конвейеров и их модели ........................... 125 
2.8.1. Общие вопросы компьютерного моделирования электромеханических  
систем с приводным асинхронным двигателем 
............................................................ 133 
2.8.2. Блок-схемы типовых моделей электромеханических систем конвейеров 
....... 136 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЧАСТИ ВТОРОЙ .......................................................................... 146 
 
6 

3. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДОМЕННОГО СКИПОВОГО  
ПОДЪЕМНИКА ............................................................................................................................. 147 
3.1. Специфические особенности доменного производства ............................................ 147 
3.2. Общие сведения о доменном скиповом подъемнике 
................................................. 147 
3.2.1. Устройство и работа транспортирующего механизма 
....................................... 147 
3.2.2. Устройство наклонного моста 
.............................................................................. 149 
3.2.3. Устройство скипов 
................................................................................................. 150 
3.2.4. Устройство скиповой лебедки 
.............................................................................. 150 
3.2.5. Кинематическая схема подъемника ..................................................................... 151 
3.2.6. Циклограмма работы механизма 
.......................................................................... 152 
3.3. Электроприводы скиповой лебедки ............................................................................ 153 
3.3.1. Электропривод постоянного тока по системе Г-Д ............................................. 153 
3.3.2. Электропривод постоянного тока по системе ТП-Д .......................................... 154 
3.3.3. Частотно-управляемые электроприводы с двигателями переменного тока .... 154 
3.4. Возможные аварийные ситуации при работе механизма подъема 
........................... 156 
3.5. Обзор существующих способов защиты электромеханического оборудования  
от аварийных перегрузок ..................................................................................................... 158 
3.6. Сравнительный анализ динамической нагруженности электромеханической  
системы скипового подъемника в нормальном и аварийном режимах  
его работы ............................................................................................................................. 159 
3.6.1. Влияние параметров механической части подъемника на нагруженность  
тягового каната при разгоне скипа 
................................................................................. 156 
3.6.2. Влияние места крепления упряжи на устойчивость движения скипа .............. 166 
3.6.3. Оценка возрастания тягового усилия при наезде скипа на неподвижное  
препятствие ...................................................................................................................... 169 
3.6.4. Предпосылки к созданию упреждающей токовой защиты  
при стопорении скипа...................................................................................................... 173 
3.6.5. Оценка величины усилий в деформированных элементах фермы  
подъемника при зацеплении их со скипом 
.................................................................... 175 
3.7. Оценка возможной эффективности упреждающей токовой защиты  
скипового подъемника от аварийных режимов 
................................................................. 178 
3.7.1. Общие замечания ................................................................................................... 178 
3.7.2. Теоретические предпосылки к созданию токового реле с избирательным  
реагированием на интенсивность изменения тока двигателей ................................... 179 
3.7.3. Влияние электромагнитной инерции силовой цепи электропривода  
на формирование производных момента и тока двигателей в пусковом режиме  
и при скачках механической нагрузки 
........................................................................... 183 
3.7.3.1. Определение последовательности режимов, адекватных поведению  
реальной подъемной установки 
................................................................................. 183 
3.7.3.2. Подача сигнала на разгон при заторможенных двигателях 
....................... 184 
3.7.3.3. Растормаживание двигателей, разгон вхолостую, выбор провиса  
тягового каната 
............................................................................................................ 186 
3.7.3.4. Натяжение каната до момента трогания скипа с места 
.............................. 189 
3.7.3.5. Разгон скипа с последующим равномерным движением 
........................... 192 
3.7.3.6. Равномерное движение скипа с последующим наездом  
на неподвижное препятствие ..................................................................................... 196 
7 

3.8. Выбор рациональной структуры и анализ селективных свойств упреждающей  
токовой защиты скипового подъемника ............................................................................ 199 
3.8.1. Сравнительный анализ известных принципов построения  
и функционирования упреждающей токовой защиты ................................................. 199 
3.8.1.1. Выделение производной выходной величины дифференцированием  
через фильтр ................................................................................................................ 199 
3.8.1.2. Формирование разности между эталонной и реальной функциями  
тока двигателей ........................................................................................................... 200 
3.8.1.3. Формирование разности между плавающими уставками  
и сигналом тока ........................................................................................................... 201 
3.8.2. Выбор рациональной структуры упреждающей токовой защиты 
.................... 202 
3.8.3. Установление функциональной связи между моментом двигателей  
и сигналом тока 
................................................................................................................ 204 
3.8.4. Анализ реакции электронного токового реле на изменения тягового усилия  
в нормальном и аварийных режимах подъемной установки 
....................................... 205 
3.8.4.1. Аппроксимация зависимостей момента и его производной  
от времени 
.................................................................................................................... 205 
3.8.4.2. Формирование сигнала срабатывания упреждающей защиты при набросе 
тягового усилия в результате выбора провиса 
......................................................... 207 
3.8.4.3. Формирование разностного сигнала в режиме нарастания момента  
заторможенных двигателей при подаче сигнала на разгон .................................... 210 
3.8.4.4. Оценка эффективности упреждающей защиты при наезде скипа  
на неподвижное препятствие ..................................................................................... 210 
3.9. Разработка и экспериментальные исследования электронного токового реле  
упреждающей защиты 
.......................................................................................................... 212 
3.9.1. Требования, предъявляемые к реле защиты 
........................................................ 212 
3.9.2. Принципиальная схема электронного токового реле с тиристорным  
ключом, принцип работы, элементная база .................................................................. 213 
3.9.3. Исследование процесса формирования сигнала упреждающей защиты  
на математической модели электромеханической системы  
скипового подъемника .................................................................................................... 215 
3.9.3.1. Расчетная динамическая модель подъемника ............................................. 215 
3.9.3.2. Математическое описание и структурная схема динамической  
модели .......................................................................................................................... 218 
3.9.3.3. Структурная схема математической модели 
............................................... 218 
3.9.3.4. Основные результаты математического моделирования 
........................... 218 
3.9.4. Исследование упреждающей токовой защиты на физической модели  
подъемника 
....................................................................................................................... 224 
3.9.4.1. Построение и принципиальная схема модели 
............................................. 224 
3.9.4.2. Особенность применения на физической модели электронного  
токового реле с электромагнитным ключом ............................................................ 227 
3.9.4.3. Оценка адекватности физической модели натурному объекту 
................. 229 
3.9.4.4. Основные результаты физического моделирования .................................. 231 
3.9.4.5. Результаты опытной проверки блока упреждающей защиты  
в промышленных условиях ........................................................................................ 232 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЧАСТИ ТРЕТЬЕЙ ......................................................................... 234 
8 

4. ЭЛЕКТРОПРИВОД ШАХТНОЙ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ  
С ПРИВОДНЫМ СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ................................................................. 236 
4.1. Расчётная механическая схема ШПУ .......................................................................... 236 
4.2. Структурная схема современной ШПУ с приводным синхронным двигателем .... 240 
4.3. Особенности математического моделирования электромеханической  
системы ШПУ с приводным синхронным двигателем 
..................................................... 241 
4.4. Структура системы управления системы ПЧ-СД ...................................................... 245 
4.4.1. Оценка возможности применения скалярного управления системы  
ПЧ-СД для привода ШПУ 
............................................................................................... 245 
4.4.2. Синтез системы векторного управления синхронным двигателем  
при поддержании тока 
..................................................................................................... 247 
4.5. Исследование поведения электромеханической системы ШПУ с приводом  
по системе ПЧ-СД при отработке типовых тахограмм. Оценка влияния видов  
обратных связей на колебательность привода 
................................................................... 255 
4.6. Выбор диагностических признаков для оценки состояния  
электромеханической системы ШПУ с приводом по системе ПЧ-СД ........................... 263 
4.6.1. Выбор зазора .......................................................................................................... 263 
4.6.2. Наложение механического тормоза ..................................................................... 267 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЧАСТИ ЧЕТВЕРТОЙ ................................................................... 273 
9 

1. ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ  
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 
1.1. Расчетные схемы, структуры электромеханических систем 
Как известно, любая электромеханическая система представляет собой совокупность 
узлов, блоков, звеньев, основное назначение которых - привести в движение исполнительный 
орган или механизм. Движущее усилие или момент после электромеханического преобразования в приводном электродвигателе (приводном блоке) проходит последовательно через ряд 
упруго-вязких блоков, муфт, редукторов и др., изменяя свою величину и характеристики. В 
частности, мы можем говорить при анализе поведения системы о максимумах значений, достигаемых величинами и об амплитудно-частотном составе этих величин. Сравнивая максимальные значения с нормированными, можно судить о перегрузках звеньев, элементов, а, 
оценивая частотный спектр диагностируемых величин, появляется возможность выйти на 
определенную техническую неисправность. 
На данный момент решение такой задачи в производственных целях практически не 
представляется возможным из-за отсутствия специальной аппаратуры и подготовленных 
специалистов-диагностов.  
Поэтому на первый план выдвигаются вопросы выбора диагностических признаков 
среди реально контролируемых величин или среди величин, которые могут быть получены 
расчетным образом на базе моделей реальных электромеханических систем. 
Наиболее простым представлением упруго-вязкой механической системы может быть 
двухмассовая расчётная схема. В случае учета таких нелинейностей, как сухое трение и зазор 
поведение системы описывается следующими уравнениями: 
1
1
1
12
1
1
TP
Z
Z
Z
Z
J
p
M
M
M
J
p
M
M
M
(
);
(
);
2
2
12
2
2
C
TP
y
12
12
M
E
M
â
12
12
y
â
 
 
(1.1) 
Z
Z
Z
M
C
M
p
M
M
M
M
M
sign
;
;
;
(
)
(
)
(
);
TP
TP
Z
Z
Z
M
M
sign
(
)
(
)
(
);
TP
TP
12


1
1
1
1
1


2
2
2
2
2
Z
GM
0,
;
12
12
p
12
M
Z
Z
GM
,
,
12
12
12
p
p
˜
 


-
°
˜
 


°
°
 
˜'
°
 
˜ '
°
°
 

°
°
 
˜
®
°
 
˜
°
-
'
°
d
°
°
°
°'
 ®
°
'
'
°
!
°
°
°
¯
¯
где  
p  - оператор Лапласа; 
1
J  - момент инерции первой массы; 
2
J  - момент инерции второй массы; 
1
Z  - частота вращения первой массы; 
2
Z  - частота вращения второй массы; 
1
M  - движущий момент первой массы; 
10