На правах рукописи

Котенев Владимир Викторович

МНОГОМАССОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА

НАТЯЖЕНИЯ УЧАСТКА СИСТЕМЫ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НАПОЛЬНОГО ТРАНСПОРТНОГО

СРЕДСТВА

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара – 2010

Работа выполнена на кафедре Электроснабжение промышленных пред приятий Государственного образовательного учреждения высшего профес сионального образования Самарский государственный технический уни верситет.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Котенев Виктор Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Кузнецов Павел Константинович кандидат технических наук, доцент, Масляницын Александр Петрович

Ведущая организация: ГОУ ВПО Самарский государственный аэрокосмический университет имени ака демика С. П. Королева (г. Самара)

Защита диссертации состоится 7 декабря 2010 г. в 14 ч 00 мин на за седании диссертационного совета Д 212.217.04 ГОУ ВПО Самарский госу дарственный технический университет (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, 18, корпус № 1, ауд. 4.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04;

тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00 ; e-mail: [email protected].

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государ ственного технического университета, а с авторефератом на официальном сайте СамГТУ (http://www.samgtu.ru).

Автореферат разослан 3 ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.04, кандидат технических наук, доцент Кротков Е. А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Напольные транспортные средства – это раз личного вида штабелеры, тележки, электрокары, автопогрузчики и т.д. ис пользуются для производства погрузочно-разгрузочных работ в складских и некоторых цеховых помещениях практически на всех больших и малых предприятиях нашей страны. Применение автомобильного газо-бензинового транспорта связано с неудовлетворительной экологией и его использование во многих случаях, особенно, на предприятиях пищевой промышленности проблематично.

Использование аккумуляторных напольных транспортных средств поз воляет в некоторой степени улучшить экологические характеристики, но это связано с дополнительными эксплуатационными издержками обусловленны ми необходимостью зарядных устройств, вентилируемых помещений, допол нительного персонала, замены дорогостоящих аккумуляторных батарей, за мены и утилизации электролита и т.д.

Перевод напольного транспорта на кабельное питание от электрической сети позволяет значительно улучшить экологию и уменьшить издержки на его обслуживание, но при этом из-за несовершенства электромеханической системы натяжения снижается надежность выполнения погрузочно-разгру зочных работ. В качестве систем натяжения нашли применение, в основном, транспортные средства с пружинным и асинхронным нерегулируемым при водом механизма натяжения, которые из-за несовершенства механизма на тяжения и регулирования натяжения имеют низкую надежность по причине частых обрывов в системе электроснабжения.

Транспортные средства с регулируемым электроприводом постоянного тока механизма натяжения и с улучшенными ресурсными характеристиками, характеризуются сравнительно невысокими динамическими характеристика ми – повышенной колебательностью и невысокой точностью регулирования усилий натяжения и стрелы провиса питающего кабеля.

Поэтому разработка электромеханического оборудования с улучшенны ми динамическими характеристиками, позволяющими повысить надежность работы транспортных средств является важной народно-хозяйственной зада чей. Особенно актуально применение транспортных средств с кабельным пи танием от сети для предприятий малого и среднего бизнеса, где уменьшение издержек в логистике является одной из основных проблем.

Целью диссертационной работы является разработка, исследование и создание системы управления электроприводом натяжения участка систе мы электроснабжения напольных транспортных средств, обеспечивающей повышенную надежность за счет улучшения динамических характеристик (плавности, колебательности, быстродействия и т.д.) электропривода.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- проведение анализа современного состояния электроприводов меха низмов натяжения движущегося материала;

- математическое описание механизма натяжения питающего кабеля с учетом распределенности масс по длине подвесной линии питания;

- разработка и исследование математической модели механизма и по строенных на ее основе структур систем управления электроприводов с об ратными связями по различным переменным;

- разработка алгоритмов управления усилием натяжения, обеспечиваю щих необходимую величину стрелы провиса питающего кабеля;

- конструирование и экспериментальные исследования разработанных электроприводов натяжения.

Методы исследований. Использованы методы математического ана лиза, в частности приближенные методы решения задач математической фи зики, методы теории автоматического управления и теории автоматизиро ванного электропривода, а также методы компьютерных и эксперименталь ных исследований.

Достоверность полученных результатов исследований определяет ся корректным использованием математического аппарата, вычислительных программных комплексов, обоснованностью принятых допущений и подтвер ждается совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных.

Научная новизна. В данной работе получены следующие основные результаты:

- математическая модель механизма натяжения, отличающаяся от ана логов повышенной точностью за счет учета распределенности масс подвесной линии и замены сосредоточенной силы, приложенной по нормали к подвес ной линии, эквивалентной распределенной силой;

- методика вычисления жесткости подвесной линии и методика опреде ления жесткости промежуточной линии, отличающаяся учетом расположе ния точек подвеса на разных высотах;

- алгоритмы управления усилием натяжения и определение погрешно сти их воспроизведения по заданной погрешности стабилизации стрелы про виса;

- структуры систем управления электроприводом механизма натяже ния, новизна которых подтверждена патентом на изобретение.

Практическая значимость работы:

- разработана оригинальная конструкция механизма натяжения, кото рая защищена патентом на изобретение;

- предложена методика аппроксимации подвесной линии питания как объекта с распределенными параметрами эквивалентным объектом с сосре доточенными параметрами;

- разработаны схемы электроприводов механизма натяжения с различ ными связями по регулируемым переменным.

Реализация результатов работы. Напольные транспортные средства в виде электропогрузчиков типа ЭП 103 КО, ЭП 1616, EB 717 и др., оснащен ные системой электроснабжения с электроприводом механизма натяжения, разработанной на основе диссертационной работы, внедрены и на протяже нии нескольких лет эксплуатируются на предприятиях г. Самары: ОАО ПКК Весна, Г.К. Аист, ЗАО Капель и др.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Математическая модель механизма натяжения питающего кабеля с учетом распределенности масс подвесной линии питания.

2. Методика определения жесткости кабельной линии системы электро снабжения напольного транспорта.

3. Алгоритмы задания усилия натяжения и методика определения по грешности их воспроизведения.

4. Результаты аналитических и экспериментальных исследований си стем управления электроприводов натяжения с учетом упругих связей и си стем управления с обратными связями по переменным состояния.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладыва лись и обсуждались на:

- Международной научно-технической конференции Актуальные про блемы трибологии (г. Самара, 2007 г.) - Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистров и аспирантов Энергоэффективность и энергобезопасность производствен ных процессов (г. Тольятти, 2007 г.) - Всероссийской научной конференции молодых ученых Наука, техно логия, инновации (Новосибирск, 2007 г., 2008 г.) - Двенадцатой международной научной конференции по математиче ским методам в технике и технологиях (Саратов, 2008 г.) - Одиннадцатой всероссийской научно-технической конференции по элек тротехнологии, электроприводу и электрооборудованию предприятий (Уфа, 2009 г.) - Международной научно-технической конференции студентов, магистров и аспирантов Энергоэффективность и энергобезопасность производствен ных процессов (Тольятти, 2009 г.) - Всероссийской научно-технической конференции Энергетика: состо яние и проблемы (Оренбург, 2010 г.) - Шестой международной научно-практической конференции Электрон ные средства и системы управления (Томск, 2010 г.) Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, вклю чающего 110 наименований. Работа изложена на 145 листах машинописного текста, содержит 113 рисунков, 7 таблиц.

Краткое содержание работы Во введении показана актуальность темы работы, определены ее цель и основные задачи исследований, намечены методы их решения, сформулиро ваны научная новизна и практическая значимость работы, приведены резуль таты реализации работы, обоснована достоверность полученных результатов и выводов, представлены основные положения, выносимые на защиту, при ведены места апробации результатов и сведения об их публикации, описаны объем и структура диссертации.

В первой главе приведен анализ современного состояния электриче ского напольного транспорта и отмечены основные направления его разви тия. Показано, что электрический напольный транспорт в виде аккумуля торных электропогрузчиков, тележек, штабелеров и т.д. получил достаточно широкое распространение при выполнении погрузочно-разгрузочных работ в цехах и складских помещениях на предприятиях различных отраслей про мышленности.

Напольные транспортные средства с питанием от электрической сети с пружинным и нерегулируемым асинхронным приводом механизма натяже ния питающего кабеля во избежание его обрыва работают, в основном, с зани женной производительностью и при обслуживании помещений или площадок размером до 5000 м2. Применение транспортных средств с более совершен ным направляющим устройством и регулируемым электроприводом посто янного тока механизма натяжения позволило повысить надежность и произ водительность агрегата, но его ресурсные характеристики из-за повышенной колебательности упругих сил натяжения остались неудовлетворительными.

Показано, что механизм натяжения питающего кабеля с подвесной ли нией питания при рассмотрении их как объекта управления упругими си лами относится к нелинейным объектам с распределенными и переменны ми параметрами, что не позволило в полной мере воспользоваться извест ными математическими моделями следующих ученых: В.Д. Барышникова, Ю.А. Борцова, А.И. Бычкова, Б.Ш. Бургина, Б.В. Квартального, В.И. Клю чева, Г.Г. Соколовского, В.М. Шестакова, Ф.К. Фоттлера, В.И. Яковлева и др.

Отмечено, что построение системы управления электроприводом натя жения на базе математической модели, учитывающий распределенность масс подвесной линии питания и разновысотное расположение подвесных точек промежуточной линии, а также разработка алгоритмов управления усили ем натяжения позволило значительно улучшить ресурсные характеристики транспортного средства.

Во второй главе рассматриваются электропогрузчики с различными вариантами конструкторного исполнения и математического описания меха низмов натяжения совместно с подвесной линией питания, ориентированных на построение автоматизированного электропривода.

Общий вид электропогрузчиков с горизонтальным и вертикальным рас положением осей кабельного барабана представлены на рис. 1, на которых показаны:

Рис. 1. Электропогрузчики с горизонтальным (а) и вертикальным (б) кабельными барабанами.

1 электропогрузчик; 2 настенный щиток; 3 несущий стальной трос; подвесной кабель; 5 каретка с токосъемником; 6 промежуточный ка бель; 7 направляющее устройство; 8 барабан; 9 электродвигатель;

10 подставка. Бортовое электрооборудование размещено в аккумулятор ном ящике.

Операторные уравнения механической части электропривода без под весной линии питания:

где J момент инерции электропривода; M момент электродвигателя; Rб радиус барабана; угловая скорость барабана; Mу упругий момент; Vк скорость перемещения промежуточного кабеля; T2 = (J/(4cк Rб ))0. янная времени первого упругого звена; cк жесткость участка направля ющие ролики-промежуточный кабель.

Подвесная линия питания с некоторыми допущениями представлена неравномерно нагруженной струной. Уравнение поперечных колебаний ее в среде с сопротивлением с граничными условиями (U (x, t) отклонение от положения равновесия; x координата, направлен ная по длине струны; Fн сила натяжения; (x) масса единицы длины струны; l длина струны; q ускорение свободного падения; t текущее время; Fк усилие, приложенное к подвесной линии со стороны промежу точного кабеля) аппроксимировано системой обыкновенных дифференциаль ных уравнений, на основании которой составлено операторное уравнение в отклонениях:

При линейной аппроксимации:

Уравнение (4) при n = 2 представлено в виде:

где cп = 4Fн /l жесткость подвесной линии; m, Vп масса и скорость пере мещения подвесной линии; p оператор Лапласа; F1, F2 упругие силы в промежуточном кабеле (F2 = Fк ) и подвесной линии питания.

По уравнениям (1), (5) построена структурная схема (рис. 2) механи ческой части электропривода (пружинного) механизма натяжения промежу точного кабеля.

Рис. 2. Структурная схема механической части электропривода механизма натя жения промежуточного кабеля.

Установлена зависимость жесткости участка промежуточный кабель – на правляющие ролики от удаленности l транспортного средства (от каретки) и от усилия натяжения F для h = 0, 1, 2, 3 м Максимальное значение жесткости cк 104 Н/м при малых l обуслов лено величиной деформации оболочек витков кабеля на барабане. Отличие в значениях жесткости при h1 = 0 и h2 = 3 м не превышает 25%.

Динамика механизма натяжения описывается дифференциальными урав нениями четвертого порядка. Так, например, при входном воздействии M (p) и выходном F2 (p) операторное уравнение принимает вид:

Показано, что величина коэффициентов демпфирования, полученных из анализа расчетных и экспериментальных переходных характеристик по лучились равными: 1 = 0, 11 для механизма с максимальными параметрами механизма натяжения (ПМН) (Rб = 0, 17 м, J = 0, 177 кг м2, cк = 104 Н/м, l = 0, m = 9 кг, cп = 420 Н/м) и 2 = 0, 3 для механизма с минимальны ми параметрами (Rб = 0, 1 м, J = 0, 0324 кг/м2, cк = 48 Н/м, l = 20 м, cп = 420 Н/м).

Вследствие слабой чувствительности динамических характеристик ме ханизма к изменению диаметра барабана его диаметр, с целью увеличения силы натяжения, следует выбирать минимально возможным, но не меньше диаметра токосъемного устройства.

С целью снижения колебательности разгон и замедление транспортно го средства с пружинным механизмом натяжения следует производить по колебательно затухающей программе Tп = 0, 3 с, п = 2/2.

Переходные характеристики пружинного механизма натяжения при раз гоне транспортного средства представлены на рис. 3. Размерность прираще ний переменных величин ( опущено): 1/с; Vт м/с; F1, F2 Н.

Рис. 3. Переменные системы в переходном процессе при изменении скорости пере движения по колебательно-затухающей программе в системе с максимальными (а) и минимальными (б) параметрами механизма натяжения (ПМН).

Установлено, что уменьшение сопротивления электромагнитной посто янной времени (рис. 4) способствует демпфированию колебаний в системе.

Рис. 4. Зависимость перерегулирования (кривые 1) и коэффициента демпфиро вания (кривые 2) от сопротивления якоря Rя (Lэ = 0, 02 Гн) и от величины электромагнитной постоянной времени Tэ (Rя = 0, 4 Ом).

В третьей главе изложены требования, предъявляемые к механизмам натяжения; алгоритмы регулирования момента натяжения и различные струк туры электроприводов механизмов натяжения промежуточного кабеля.

Показано, что для поддержания стрелы провиса на заданном уровне 3, для механизма с однорядной укладкой кабеля на барабане, усилие натяже ния F, полученное из решения нелинейного уравнения для 3 = 0, 25; 0, 5; 0, 75; 1, 0 м, h = 0, 1, 2, 3 м, 0 l 30 м с погрешно стью не более 10 % аппроксимированы (рис. 5, 6) линейными функциями где Fсм – значение максимальной силы трения, зависящей от коэффициента трения, числа колец и массы подвесного кабеля.

Установлено, что требуемая погрешность воспроизведения программы изменения силы натяжения меньше требуемой погрешности стабилизации петли провиса Зависимость минимального значения коэффициента kмин = f (3, h) представлена на рис. 6.

Рис. 5. Зависимость силы натяжения и Рис. 6. Зависимость минимального ко Рассмотрено построение с последующим анализом динамических харак теристик систем управления электроприводом натяжения кабеля со связями по различным переменным: току якоря, скорости электродвигателя бараба на, скорости транспортного средства, усилия натяжения промежуточного кабеля.

Обобщенная структурная схема такой системы представлена на рис. 7.

Uп (p) Рис. 7. Обобщенная структурная схема электропривода механизма натяжения.

На схеме обозначены: Wрт (p), Wрн (p) передаточные функции регу ляторов тока и натяжения; Wос (p), Wп (p) передаточные функции кана лов связи по частоте вращения электродвигателя и скорости передвижения транспортного средства; cе, kот коэффициенты передачи по скорости и току якоря электродвигателя; kст, kон коэффициенты передачи датчиков скорости транспортного средства и натяжения кабеля.

Регулятор тока выбран из условия стандартной настройки контура по условиям модульного оптимума. Вследствие высокого быстродействия кон тура тока, переходные характеристики системы с отрицательной обратной связью по току якоря практически совпадают с переходными характеристи ками пружинного механизма натяжения.

Установлено, что на величину динамического провала силы натяже ния промежуточной линии питания значительное влияние оказывает ускоре ние транспортного средства в начале разгона. Начальные ускорения будут наименьшими при разгоне по колебательно-затухающей программе по срав нению с экспоненциальной и линейной программами. Поэтому и падения уси лий натяжения в первом случае наблюдаются наименьшими: F2.1 = 5.5 Н, а при разгоне по апериодической программе: F2.2 = 8.5 Н.

Установлено, что полная инвариантность к изменению нормальной со ставляющей скорости транспортного средства обеспечивается в системе с каналом связи по этой составляющей и блоком дифференцирования четвер того порядка. С помощью метода частотных характеристик установлено, что частичная инвариантность обеспечивается в системе с блоком дифференци рования первого порядка (Tд1 = 0, 063 с – в системе с минимальными ПМН; Tд2 = 0, 1 с – в системе с максимальными ПМН; Tф = 0, 001 с).

Уточнение этих параметров производилось по результатам решения ми нимаксной задачи доставляющей минимальное значение максимального отклонения упругой силы в переходном процессе при разгоне транспортного средства. Значения максимальных отклонений усилий в переходном процессе (рис. 8) составили незначительную величину 1 = 0, 2 Н при Tд1 = 0, 12 с и 1 = 0, 3 Н при Tд2 = 0, 043 с.

Рис. 8. Переменные в переходном процессе в системе с минимальными (а) и мак симальными (б) ПМН при изменении скорости по колебательно затухающей про грамме: Iя А; Vт м/с; F1, F2 Н.

Показано, что в системе управления электроприводом натяжения с об ратными связями по току якоря и усилию натяжения показатели качества регулирования (рис. 9) достаточно хорошие.

Рис. 9. Переходные процессы в системе с обратными связями по Iя и F2 при ми нимальных (а) и максимальных (б) ПМН и изменении скорости транспортного средства по колебательно-затухающей программе.

Параметры ПИД-регулятора натяжения выбирались с помощью метода частотных характеристик с последующим уточнением этих параметров по результатам решения минимаксной задачи Показано, что эта система относится к классу робастных систем, так как при изменении ее параметров (0, 0324 кг м2 J 0, 177 кг м2, 48 Н/м cк 104 Н/м, 0, 5 1/с kрег 1, 5 1/с, 0, 027 с Tрег2 0, 036 с) она сохраняет необходимый запас устойчивости.

В четвертой главе рассмотрены результаты практической реализации и экспериментальных исследований характеристик системы управления элек троприводом натяжения промежуточной линии питания, которая защищена патентом на изобретение.