Микропроцессорный электропривод сельскохозяйственных установок с учетом усталостного старения изоляции электродвигателя

При выборе типа электропривода сельскохозяйственной установки главным является вопрос о степени его управляемости [183−188]. В ряде случаев используется простейший нерегулируемый по угловой частоте вращения ротора двигателя электропривод (привод постоянной угловой частоты вращения), а сложная траектория движения рабочего органа установки реализуется с использованием разветвлённой кинематической цепи, включающей кривошипно-шатунные, кулисные и другие механизмы [38,188]. Это в полной мере относится к установкам, которые в качестве примера рассмотрены в работе: зерноочистительные машины (решетные станы), установки для мойки деталей и узлов машин. Регулируемый электропривод с микропроцессорным управлением упрощает кинематические цепи, увеличивает надёжность и снижает материалоёмкость установок сельскохозяйственного назначения с рабочими органами скоростного типа и переменной нагрузкой.

Прогресс полупроводниковой силовой и микропроцессорной техники позволяет ставить задачу обоснованного внедрения регулируемого электропривода на базе короткозамкнутого асинхронного двигателя (АД) и преобразователя частоты (ПЧАД) с векторным управлением или вентильно-индукторной машины (ВИМ).

Введение

контроллера в состав системы управления даёт возможность строить привод с аналитическим эйлеровским регулятором, выполненным на базе алгоритмов решения задачи управления, как вариационной с комплексной целевой функцией и элементами адаптации к изменению характеристик нагрузки на валу двигателя, что характерно для установок сельскохозяйственного назначения, и параметров самого двигателя. В вентильно-индукторном электроприводе (ВИП) органично совмещается цифровая технология управления с простотой и надёжностью исполнительного двигателя.

Установлено, что при синтезе ПЧАД и проектировании ВИП для сельскохозяйственных установок необходимо уделять внимание факторам, влияющим на надёжность работы двигателя. При этом в состав комплексных целевыхфункций управления включается требование по учёту второго по значимости (после теплового старения изоляции) фактора — фактора усталостного старения элементов изоляции обмотки двигателя от циклического воздействия электродинамических усилий (ЭДУ). Этот учёт становится важным, если тепловое старение не позволяет выбрать оптимальный режим работы оборудования: воздействие фактора теплового старения или незначимо или одинаково для разных режимов.

Таким образом, актуальным является разработка управляемых микропроцессорных электроприводов для сельскохозяйственных установок с учётом фактора усталостного старения изоляции электродвигателя.

Целью диссертации является разработка научных положений и технических решений, реализация которых позволит повысить надёжность двигателей, работающих в составе асинхронных и вентильно-индукторных приводов установок сельскохозяйственного назначения, синтез экономичного, адаптивного частотного и вентильно-индукторного привода, внедрение ПЧАД и ВИП в установки сельскохозяйственного назначения. 'Объектами диссертационной работы являются. сельскохозяйственные установки с частотным и вентильно-индукторным приводом, системы управления приводами, короткозамкнутый асинхронный двигатель и вентильно4индукторная машина.

В рамках заявленных целей были поставлены следующие задачи работы.

1. Определение режимов работы приводного двигателя сельскохозяйственных установок, для которых необходим учёт фактора усталостного старения элемента изоляции двигателя от циклического воздействия ЭДУ, и получение расчётных соотношений, позволяющих учесть влияние фактора усталостного старения.

2. Исследование кинематических цепей приводов установок сельскохозяйственного назначения и режимов работы приводов постоянной частоты вращения с целью повышения надёжности работы этих приводов при их настройке и оптимизации.

3. Разработка структуры векторного частотного электропривода и алгоритмов его управления с комплексной целевой функцией и учётом фактора усталостного старения изоляции обмотки двигателя при идентификации нагрузки механизма установки сельскохозяйственного назначения и параметров двигателя.

4. Разработка структуры вентильно-индукторного электропривода и алгоритмов его управления для установок сельскохозяйственного назначения с комплексной целевой функцией управления при формировании оптимальных фазных токов, следовании двигателем заданной тахограмме движения и реализации алгоритма идентификации нагрузки механизма.

5. Разработка высокоинтегрированных моделей ПЧАД и ВИЛ сельскохозяйственных установок с учётом дискретных алгоритмов их работы и наличием высокопроизводительных контроллеров для оптимизации структуры приводов и формирования адаптационных алгоритмов управления.

6. Техническая реализация ВИЛ и разработка программного обеспечения контроллера с решением задачи движения, оптимизацией показателей надёжности работы ВИМ и идентификацией параметров нагрузки установки сельскохозяйственного назначения.

Решение этих задач даёт возможность сформулировать научные результаты и положения, выносимые автором на защиту.

1. Методика по учёту усталостного разрушения элемента изоляции обмотки приводного двигателя при анализе и синтезе систем электропривода сельскохозяйственных установок (главы 1,4, 5).

2. Технические решения по оптимизации кинематики установок сельскохозяйственного назначения (зерноочистительной машины, моечной машины, сепаратора) (глава 2).

3. Принцип построения аналитического эйлеровского регулятора частоты вращения ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя, работающего в составе частотного электропривода с векторным управлением, при стабилизации потокосцепления ротора, идентификации статического момента нагрузкиасинхронного двигателя и параметров его схемы замещения, максимизации производительности и минимизации потерь в роторе АД (глава 3).

4. Принцип построения аналитического регулятора частоты вращения ротора ВИМ при идентификации статического момента нагрузки, максимизации производительности сельскохозяйственных установок и минимизации усталостных разрушений изоляции обмотки статора (глава 6).

5. Техническая реализация вентильно-индукторного привода сельскохозяйственных установок с микропроцессорным управлением на базе высокопроизводительного контроллера (глава 7).

6. Программное обеспечение контроллера ВИП с реализацией аналитического регулятора частоты вращения ротора ВИМ (глава 7).

7. Высокоинтегрированные математические модели ПЧАД и ВИП сельскохозяйственных установок с учётом дискретности работы микропроцессорных систем управления (главы 3, 6).

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Теоретически обоснованы решения по оптимизации кинематических схем установок сельскохозяйственного назначения с колебательным характером движения на примерах зерноочистительной машины, установки для мойки деталей и узлов машин.

2. Получена математическая модель движения зерновой смеси в зерноочистительной машине (решетном стане), при учёте ударных взаимодействий субъектов движения и нелинейной связи перемещений поддона и решета, описанной аппроксимирующим полиномом Лагранжа, позволяющая синтезировать структуру привода и получить его оптимальные настройки.

3. Получены соотношения, пригодные для сравнения режимов работы приводных двигателей по скорости усталостного старения элементов изоляции обмоток без идентификации вероятностного закона распределения амплитуд механических напряжений.

4. На базе вариационной системы счисления синтезирован аналитический эйлеровский регулятор частоты вращения ротора асинхронного двигателя, работающего в составе частотного электропривода сельскохозяйственных установок с векторным управлением и стабилизацией потокосцепления ротора.

5. Составлен алгоритм управления частотным приводом при идентификации статического момента сопротивления сельскохозяйственных установок и параметров схемы замещения асинхронного двигателя, путём разбиения заданной траектории движения ротора АД на интервалы управления.

6. Впервые показана возможность выбора оптимальной настройки микропроцессорной системы управления частотным приводом сельскохозяйственных установок при учёте влияния на надёжность работы двигателя фактора усталостного старения элемента изоляции статора АД.

7. Исследован вопрос влияния начальной фазы питающего напряжения, его величины и видов статических нагрузок, присущих установкам сельскохозяйственного назначения, на допустимую частоту включений привода постоянной частоты вращения вала АД при учёте фактора усталостного старения элемента изоляции статора АД.

8. Разработан алгоритм управления ВИЛ, основанный на применении принципа максимума Понтрягина, для ограниченного интервала управления, соответствующего полюсному делению ВИМ, что позволяет придать ВИЛ свойства следящего привода с астатическим управлением по угловой частоте вращения ротора и статической нагрузке, определяемой конкретной установкой сельскохозяйственного назначения.

9. Впервые найдена форма фазных токов ВИМ, обеспечивающая минимальную среднюю скорость усталостного старения элемента изоляции статора ВИМ.

10. Созданы высокоинтегрированные модели ПЧАД и ВИЛ сельскохозяйственных установок, учитывающие дискретность работы микропроцессорных эй-леровских аналитических регуляторов.

11. Впервые разработано программное обеспечение контроллера ВИЛ с оптимальным управлением: максимизацией производительности сельскохозяйственных установок и минимизацией средней скорости усталостного старения элемента изоляции статора ВИМ.

Практическая ценность работы заключается в следующих положениях.

1. Разработаны, внедрены и защищены патентами РФ конструкции и кинематика установок сельскохозяйственного назначения, оптимизированные при использовании различных типов электроприводов [169 -174], Приложение 3.

2. Разработаны и защищены патентами РФ изменения в конструкциях приводных двигателей, позволяющие реализовать преимущества простых кинематических схем установок сельскохозяйственного назначения [175].

3. Разработаны и занесены в государственный реестр базы данных, обеспечивающие автоматизацию процесса использования методики учёта усталостного старения элемента изоляции приводного двигателя в установках сельскохозяйственного назначения и анализ результатов модельных и натурных экспериментов [140, 141].

4. Разработаны и занесены в государственный реестр программ для ЭВМ модели ПЧАД, ВИП и зерноочистительной машины, позволяющие вести предварительную настройку и отладку цифровых алгоритмов управления установками сельскохозяйственного назначения, и программное обеспечение для контроллера PIC18F2320 ВИП [142 — 145], Приложение 1.

5. Реализован ВИП с микропроцессорном управлением и научно-исследовательские стенды по отработке фрагментов алгоритмов управления ПЧАД и ВИП сельскохозяйственных установок, Приложение 2.

1. ЭЛЕКТРОПРИВОД УСТАНОВОК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГОНАЗНАЧЕНИЯСтруктура электропривода представлена на рис. 1.1 [10].

Электрическая сетьОт задающих устройствДатчики обратных связейРис. 1.1. Структура электроприводаЭлектрическая мощность силовой системой управления (ССУ) преобразуется в регулируемую электрическую. Электромеханический преобразователь (ЭМП), являющийся частью двигателя, электрическую мощность преобразует в электромагнитную механическую (М, со), воздействующую на ротор двигателя (РД). Механическую часть привода, кроме ротора, составляют передаточный механизм (ПМ) и рабочий орган машины (РМ). С выхода рабочего органа механическая мощность (Мт, сот), воздействует на технологический процесс (ТП). Информационная часть системы управления (ИСУ) обрабатывает данные от первичных датчиков и на основе этой информации, а также сигналов от задающих устройств формирует алгоритм управления силовой частью (ССУ).

Включение обратных технологических связей делает систему в целом объектом исследования уже другой дисциплины, связанной с автоматизацией технологических процессов. Однако, не включая в свою структуру обратные технологические связи, привод способен, тем не менее, управлять параметрамитехнологического процесса, если установлена косвенная связь этих параметров и обратных связей, присущих электроприводу. Примеры такого рода будут обсуждаться в этой работе.

При разработке новых образцов электропривода модифицируются часть или все составляющие структуры рис. 1.1. В главе решаются задачи:• намечаются пути совершенствования электропривода (ЭП) установок сельскохозяйственного назначения, формулируются требования к ЭП-• анализируется состояние вопроса учёта факторов, влияющих на надёжность работы электромеханического преобразователя-• формулируются задачи, которые необходимо решить при проектировании асинхронного частотного и вентильно-индукторного привода.

1.1. Пути повышения эффективности работы электропривода установоксельскохозяйственного назначенияНамечая пути совершенствования электропривода, рассматриваем как малозатратные мероприятия, модифицирующие технику, так и перспективные кардинальные меры по улучшению свойств привода.

Меры по совершенствованию электропривода установок сельскохозяйственного назначенияНастройка и рекомендации по изменению режимов работы уже споекгированных установок (разделS3)Смена типа привода с существенным улучшением потребительских свойств тсх1шки (главы 3, 6,7)Малозатратные усовершенствования, доработки и модернизация установок (главы 2,5)Рис. 1.2. Структура мер по совершенствованию электропривода установоксельскохозяйственного назначенияВыбор направления работ может быть проведен с учётом финансовых возможностей исполнителя, а также задачи, которая перед ним поставлена. Структура видов работ представлена на рис. 1.2. Структура не требует комментариев, и каждое из направлений в работе будет представлено в соответствующей главе и разделе.

1.1.1. Условия работы электропривода установок сельскохозяйственного назначенияДостаточно полная классификация механизмов сельскохозяйственного производства, с точки зрения формулировки требований к электроприводу, приводится в [38, 188]. Указывается, что электрифицированные сельскохозяй-I ственные механизмы делятся на следующие характерные группы, обладающиесходным конструктивным построением, характеристиками и режимами работы.

1. Центробежные механизмы: насосыцентробежные и осевые вентиляторымолочные и другие центрифугивакуумные насосы.

2. Установки с кривошипно-шатунным механизмом: поршневые насосыпоршневые компрессорыпоршневые прессы сена и соломылесопильные рамы.

3. Механические транспортёры: подачи продукта (ленточные, ковшовые, шнековые, тросошайбовые, спиральные) — раздачи кормов (скребковые) — уборки навоза (цепные, штанговые, скреперные).р 4. Машины первичной переработки продуктов и приготовления кормов: зернодробилкиизмельчители грубых кормовсмесителигрануляторымолотилки-тёркитеребильные машинысортировальные и др.

Каждая из групп механизмов имеет свои особенности эксплуатации. * Для первой группы характерны низкий момент трогания, вентиляторнаяили близкая к ней механические характеристики, повышенный момент инерции. Нагрузка имеет спокойный характер.

Вторая группа характеризуется моментом трогания, зависящим от угла поворота кривошипного вала. Установки, как правило, снабжены дополнительными инерционными элементами. Нагрузка имеет периодический характер.

Большинство механизмов третьей группы характеризуются относительно высоким моментом трогания, низким приведенным моментом инерции, спокойным характером нагрузки. У транспортёров с возвратно-поступательным движением (например, штанговых транспортёров уборки навоза) нагрузка имеет резкопеременный характер.

Машины первичной переработки продуктов и кормоприготовления, как правило, имеют несколько рабочих органов: транспортирующих, дробящих режущих, прессующих, смешивающих, трясущих и др. Чем сложнее кинематическая схема машины и большая мощность приходится на долю транспортирующих устройств, тем выше момент трогания машины. Момент инерции у таких машин, как правило, высокий, особенно у дробилок и измельчителей грубых кормов. Нагрузка машин этой группы носит случайно-переменный характер. Частота и размах колебаний нагрузки зависят от многих факторов и, прежде всего от физико-механических свойств обрабатываемого материала, частоты вращения рабочих органов, производительности машины, способа загрузки.

Графики нагрузки, характерные для сельскохозяйственных механизмов, и перечень машин, имеющих соответствующие графики, приведены в табл. 1.1.

В справочнике по автоматизированному электроприводу [38] указывается, что большинство механизмов работает в режимах S1 и S2, значительно меньшее число — в режиме S3. Отметим также наличие механизмов, судя по данным табл. 1.1, работающих и в других режимах.

Приводится эмпирическая формула для зависимости от частоты вращения механизма момента статического сопротивления: где Мс — момент сопротивления механизма при частоте вращения а> М0 — момент сопротивления механизма, не зависящий от частоты вращенияМсном (1.1)момент сопротивления механизма при номинальной частоте вращения а) номхпараметр, характеризующий изменение момента сопротивления при изменении частоты вращения.

Таблица 1.1Классификация механизмов по виду нагрузочных диаграммГруппы механизмов с однотипными механическими характеристиками представлены в табл. 1.2. Там же, в строке 2, даны значения параметра х для (1.1).

По значению момента трогания сельскохозяйственные механизмы и машины делятся на три группы (табл. 1.3).

В соответствии с этим делением определяются условия пуска. Механизмы первой группы допускают пуск асинхронного двигателя (АД) при пониженном напряжении питания переключением обмоток со звезды на треугольник в целях снижения падения напряжения в сети при пуске. Механизмы второйгруппы позволяют осуществлять прямое включение двигателя. При этом не исключена возможность применения в отдельных случаях средств облегчения условий пуска, например, путём применения центробежных фрикционных муфт.

Таблица 1.3Классификация механизмов по моменту сопротивления троганиюм"р/ /Мн0м Перечень механизмов1 20,3 Вентиляторы, центробежные насосы, молочные сепараторы, зернодробилки, пускаемые вхолостую, пневмотранспортёры0,3−1,0 Транспортёры, конвейеры, подъёмные машины, молотильные агрегаты, пускаемые вхолостую, агрегаты приготовления комбинированного силоса, смесители>1,0 Дробилки и измельчители грубых кормов, пускаемые под нагрузкой, пилорамы, прессы-грануляторыДля сельскохозяйственных машин характерен широкий диапазон изменения коэффициента инерции (отношения приведенного момента инерции машины к моменту инерции двигателя). Все сельскохозяйственные механизмы по значению коэффициента инерции можно условно разделить на три группы [38] (см. табл. 1.4).

Таблица 1.4Классификация механизмов в зависимости от коэффициента инерцииКоэффициент инерции Перечень механизмов1 25 Транспортеры, шнеки, нории, центробежные насосы5−15 Смесители, центробежные вентиляторы, измельчители сочных кормов>15 Зернодробилки, универсальные дробилки, пневмотранспортеры, сепараторыСуществует и ряд дополнительных требований, которые должны выполняться. Большая часть из них касается работы и пусков двигателя при пониженном напряжении. При работе отклонение напряжения допускается в пределах — 7,5% * + 10%, а при пуске двигатель должен обладать достаточным пусковым моментом при снижении напряжения питания на 20 — 30%.

Для отдельных производств оговаривается отсутствие в воздухе химических реагентов, концентрация пыли. Нормируются температурные условия и расчётный срок службы.

Для разрабатываемых приводов и демонстрации возможностей новых предлагаемых методик оценки надёжности работы оборудования приведенная информация полезна возможностью обоснованного анализа вида статической нагрузки на качество регулирования скорости (главы 2, 3) и надёжностные показатели работы привода (главы 4 — 7). Влияние изменения величины момента инерции механизма исследуется в главе 5, как и возможность снижения питающего напряжения в допустимых границах при прямых пусках асинхронного короткозамкнутого двигателя. Кроме того, нестабильность статического момента сопротивления, характерная для установок сельскохозяйственного назначения, послужила причиной включения момента сопротивления в число параметров, идентифицируемых адаптивными системами управления.

1.2. Надёжность приводов сельскохозяйственного назначения.

Тип электроприводаВ процессе синтеза новых структур привода, настройки существующих систем первостепенное значение в работе уделяется надёжности приводного двигателя. Несмотря на значительное снижение потребления электроэнергии на производственные нужды сельским хозяйством страны с 70,5 млрд. кВт-ч. в 1991 г. до 20,4 млрд. кВт-ч. в 2003 г., в сельскохозяйственной отрасли эксплуатируется значительное количество электродвигателей (около 4,5 млн.). [186]. Основным приводным двигателем в установках сельскохозяйственного назначения является трёхфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель (АД). Рассмотрим факторы, влияющие на надёжность его работы, и выберем из них существенные, снижение влияния которых может быть положено в основу синтеза электропривода.

1.2.1. Факторы, влияющие на надёжность асинхронного двигателяРесурс работы АД часто оказывается меньше номинального по причинам, которые распределяются по значимости следующим образом [73]: 1. применение электродвигателей в условиях окружающей среды и нагрузки, для которых он не предназначен-2. неправильная эксплуатация двигателей-3. недостаточно высокое качество электродвигателей-4. неудовлетворительное качество применяемых материалов-5. повышенный уровень нагрева изоляции-6. повышенная скорость нарастания температуры изоляции.

Критике подвергается подход к вопросам надёжности работы АД при учёте только теплового старения изоляции.

Наличие динамических режимов при эксплуатации двигателя заметно сказывается на ресурсе его работы. В [90] приводится таблица 1.5, хорошо подтверждающая это положение.

Таблица 1.5Зависимость количества отказов двигателей от режима работыи вида оборудованияНаименование оборудования Средняя частота включений в 1 час Количество отказавших двигателей из числа установленных на этом оборудовании (в процентах)1 2 3Намоточные станки 100 60,0Транспортёры 6 31,0Бегуны 1,25 17,6Вентиляторы 0,05 12,7Насосы 0,05 11,2Таким образом, становится очевидным, что необходимо учитывать весь комплекс факторов пропорционально той доле, которую каждый из учитываемых факторов вносит в процесс старения элементов двигателя. В работе [92] факторы, влияющие на срок службы изоляции, располагаются по степени значимости:1. тепловое старение является основным фактором, определяющим срок службы изоляции-2. вибрационные напряжения, обусловленные механическими и электродинамическими силами, возникающими в режиме реверсов, уменьшают срок службы изоляции, примерно, на одну и ту же величину (55 — 65%) во всём интервале испытательных температур и могут оцениваться как второй по значимости фактор, определяющий срок службы изоляции-3. термические напряжения в изоляции, обусловленные нагреванием и охлаждением двигателя, уменьшают срок службы изоляции на постоянную величину во всём интервале испытательных температур, однако в значительно меньшей степени, чем вибрационные напряжения-4. включение двигателя под рабочее напряжение сразу после окончания периода увлажнения приводит к уменьшению сроков службы изоляции, причём величина этого уменьшения в области более низких температур значительно превосходит величину уменьшения сроков службы в области высоких температур.

Результаты исследования четырёх партий двигателей даны в работе [95]. Здесь в число факторов, воздействующих на среднюю наработку на отказ, были включены: температура, вибрационное ускорение, режимы реверсов (таблица 1.6).

Таблица 1.6Влияние испытательного режима на среднюю наработку на отказ для рядапартий электрических двигателейНомер партий электрических двигателей Испытательный режим Средняя наработка на отказ, час.

Опыт эксплуатации двигателей позволяет определить вероятность безотказной их работы для каждой категории условий эксплуатации (табл. 1.7). Есть попытки разделить режимы работы двигателя по уровням факторов, влияющих на надёжностные показатели (табл. 1.8 из [56]).

Приведенные данные показывают необходимость решения задачи учёта комплекса факторов, определяющих надёжность электрического двигателя. Интересно примечание, данное авторами к таблице 1.8. Оно означает, что в первом приближении действие факторов, сокращающих срок службы, можно рассматривать независимо друг от друга в их влиянии на надёжность. Это примечание открывает возможность вести оптимизацию по одному из факторов, контролируя другие, или выбирать наиболее значимый для данного режима эксплуатации и оптимизировать его значение и т. п.

Исследования подтверждают факт резкого сокращения ресурса, срока службы двигателя при его работе в напряжённых динамических режимах. Здесь становится важным учёт вклада электродинамических усилий (ЭДУ) в процесс старения изоляции [57−62].

Таблица 1.7Зависимость надёжности от категорий условий эксплуатацииКатегория условий эксплуатации Среднее значение вероятности безотказной работы на 20 000час.

1 2Лёгкая 0,85Нормальная 0,65Жёсткая 0,45Особо жёсткая 0,20Вопросы взаимного влияние ряда факторов на надёжность обмоток двигателя затрагиваются и в работах [49, 73, 90, 91] с точки зрения разработчиков электромеханических преобразователей энергии, без связи с алгоритмами управления силового преобразователя или характером и особенностями нагрузки конкретного исполнительного механизма.

Рис. 1.3. Алгоритм анализа режимов работы двигателя и механической части ЭПНаиболее полным было бы решение вопроса надёжности к. з. АД при учёте всех факторов в едином комплексе (рис. 1.3). В этом случае алгоритм анализа режимов работы носит циклический характер.

Часто фактор старения изоляции под циклическим воздействием электродинамических усилий может рассматриваться отдельно, как единственно взятый. При этом для к. з. АД, как для элемента ЭП, должны выполняться следующие два условия:1. Существенной в цикле работы элемента ЭП должна быть доля динамических режимов, дающих возможность сделать вывод о влиянии на ресурс работы, срок службы этого элемента процесса усталостного старения. (Механические напряжения в элементе должны быть более предела выносливости.) Для электрического двигателя под динамическими режимами понимаются режимыпуска, реверса, наброса нагрузки и другие. При этом, например, частота его пусков должна превышать 10 пуск./час (табл. 1.8).

2. Уровни всех остальных факторов, определяющих надёжностные показатели, должны обеспечивать ресурс работы, срок службы элемента ЭП больший, чем номинальный. Для двигателя — ресурс более чем 20 тыс. часов.

Незначимость таких факторов, как химически агрессивная среда, повышенная влажность обмотки, атмосферное давление и других принимается лишь в тех случаях, когда она очевидна: активная химическая среда отсутствует, влажность и давление находятся на уровнях, предусмотренных техническими условиями, двигатель правильно выбран по степени защиты (ГОСТ 17 494−87), климатическому исполнению, категории размещения (ГОСТ 15 150−69) [98,99]. (Взаимная корреляция факторов в их влиянии на надёжностные показатели работы элемента ЭП не учитываются).

Процессы усталостного разрушения характерны не только для двигателя, но и для механической части ЭП (пунктир на рис. 1.3).

Выполнение второго условия не обязательно: мероприятия по снижению интенсивности усталостного старения могут проходить при незначительном изменении или полной стабильности действия остальных факторов, влияющих на надёжность. Как будет показано в дальнейшем, возможны, например, варианты настройки привода, при которых незначительное увеличение температуры изоляции (на 5% - 10%) может сопровождаться кардинальным уменьшением средней скорости усталостного старения (в несколько раз).

Итак, в дальнейших расчётах при анализе надёжностных характеристик работы двигателя будет учитываться наряду с его температурным режимом и усталостное старение элементов изоляции обмотки статора.

Учёт усталостных процессов будет вестись не только для асинхронных приводных двигателей, но и для веньтильно-индукторных машин.

1.2.2. Типы рассматриваемых приводов установок сельскохозяйственного назначения.

1.2.2.1. Частотный электроприводДля разработки принимается частотный электропривод с векторным управлением. Этот привод выбирается благодаря тому, что, с одной стороны, он формирует качественное управление приводным двигателем, а, с другой стороны, приводным двигателем здесь является самый массовый из применяемых в установках сельскохозяйственного назначения — трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Рост управляемости ЭП, придание ему свойств следящего привода, позволяет упростить кинематические цепи установки, повысить их надёжность и снизить материалоёмкость.

Переход на полностью управляемые и регулируемые привода осуществляется и повсеместно в наиболее развитых странах мира [107, 113]. Американские специалисты оценивают потребности в регулируемом электроприводе как 50% от всех работающих приводов, хотя в настоящее время используется всего лишь 5%-10%. По экспертным оценкам, только в Западной Европе производство регулируемых электроприводов с разными типами двигателей за 1990;1995 гг. планировалось увеличить более чем вдвое. Если ещё в 1999 г. удельная стоимость силового блока со схемой управления составляла 100 — 150 усл. ед. на 1 кВт мощности, и о широком применении регулируемого привода не могло быть и речи [184], то теперь удельная стоимость киловатта на порядок меньше.

Разработке эффективного привода переменного посвящено много монографий [22−27]. Общие теоретические основы синтеза этих систем представлены в [1−5, 10,11]. Задачей разработки частотного привода в данной работе является выбор оптимальной структуры привода для конкретного класса механизмов с приданием ей ряда преимуществ, которые могут быть использованы в частотных приводах более широкого назначения.

В структуру частотного привода предполагается привнести и принципиально новые особенности, наделить её новыми свойствами.

Во-первых, при формировании внешних контуров регулирования координат ЭП будут использоваться эйлеровские аналитические регуляторы. Это позволит максимально использовать преимущества частотного привода по возможностям формированию оптимальных траекторий движения. Представляется нерациональным, затрачивая немалые усилия по формированию качественной базы датчиков и подсистем регулирования для реализации векторного управления, оставлять внешние контуры регулирования (частоты тока и угловой частоты вращения) по структуре с фиксированными передаточными функциями регуляторов. Это не соответствует уже существующей и качественной структуре. Здесь наиболее верным решением является использование принципа терминального управления с формированием оптимальной траектории движения за счёт изменения сигнала задания в контуре регулирования при составной, комплексной целевой функции.

Во-вторых, электропривода сельскохозяйственных установок, как показано в разделе 1.1.1 имеют нестабильные характеристики статических нагрузок. Это требует периодической идентификации нагрузки для сохранения управления оптимальным. Такие алгоритмы легче всего встраивать в ИСУ (рис. 1.1), уже имеющую котроллер. Кроме того, терминальный принцип управления требует знание параметров силовой части и двигателя. Поэтому в алгоритм управления вводятся программные блоки самоидентификации привода по изменяющимся параметрам (активным и индуктивным сопротивлениям).

В-третьих, планируется процесс управления разбить на интервалы. Эти интервалы можно назвать интервалами управления или интервалами решения краевой задачи управления в терминах вариационного исчисления. Такой подход позволяет использовать терминальное управление с оптимизируемой целевой функцией на отрезках траектории (интервалах управления), где параметры нагрузки и привода можно считать постоянными. Сигнал управления на каждом из таких интервалов, в свою очередь, играет роль тестового сигнала для запуска алгоритма идентификации привода и нагрузки.

Предлагаемая методика учёта усталостного старения элементов изоляции статора асинхронного двигателя (глава 3) даёт дополнительный ресурс в поиске оптимальных настроек и оценок последствий выбора интервала управления той или иной величины.

1.2.2.2. Нерегулируемый асинхронный электроприводКомплексная целевая функция оптимизации включает использование предлагаемой в работе методики учёта средней скорости усталостного старения элементов ЭП. Эта методика, при усовершенствовании существующего привода, сама способна генерировать и предложения по совершенствованию настроек приводов с характеристиками нагрузок, присущими установкам сельскохозяйственного назначения (табл. 1.2), и предложения по малозатратным доработкам простейших нерегулируемых асинхронных приводов, позволяющие увеличить надёжность их работы в напряжённых динамических режимах.

В работе также рассматривается учёт дополнительного специфического требования к ЭП установок сельскохозяйственного назначения: надёжность работы (пуска) установок при пониженном питающем напряжении.

Учёт дополнительного фактора, влияющего на надёжность работы двигателей в нерегулируемом асинхронном приводе, позволит выявить дополнительные ресурсы при настройке приводов. В частности, параметр допустимого числа включений может быть скорректирован для определённых видов нагрузок, присущих установкам сельскохозяйственного назначения, что повысит их производительность.

1.2.2.3. Вентильно-индукторный электропривод (ВИП)ВИП на базе вентильно-индукторной машины (ВИМ) предлагается для установок сельскохозяйственного назначения, как высокоскоростной привод, способный в значительной мере упростить кинематические цепи для механизмов и технологий, требующих высоких периферийных скоростей для рабочих органов (например, технология сепарации).

В последние несколько лет к этому типу привода проявляется значительный интерес. В ряде западных стран уже несколько десятилетий ВИМ выпускается серийно [107]. Есть образцы промышленного привода и в России [101]. Значительное внимание уделено разработке ВИП научными лабораториями МЭИ. Ряд работ посвящен проектированию этого привода [100,103,104,111]. Во многих работах уделяется внимание и алгоритмам управления [102,104,106,108,109,112]. Отмечается нетрадиционность математического подхода к задаче управления, которую требует этот привод, благодаря своей структуре: отсутствию магнитной связи коммутируемых фаз, дискретности процесса управления. На каждом цикле коммутации необходимо форсированно доставить электромагнитную энергию работающей фазе, а по завершении рабочего цикла — форсированно вывести излишки электромагнитной энергии из обмотки. Детально обсуждаются вопросы формирования оптимальной формы тока с точки зрения обеспечения максимального момента, или минимизации его пульсаций, или минимизации коэффициента форсировки преобразовательной установки и т. п. Нет подробного освещения задачи общего решения проблемы управления частотой вращения ВИП с учётом его дискретности. Отмечается лишь основная задача регулирования — борьба с пульсациями момента и скорости.

В работе предлагается использовать для синтеза регуляторов принцип максимума Понтрягина. Его использование оправдано в данном случае релей-ностью алгоритма управления и ключевыми режимами работы коммутирующих элементов ВИП. Задача формирования тока подчиняется достижению цели: минимизации усталостных разрушений изоляции катушки ВИМ от воздействия электродинамических усилий. При этом задача управления (задача слежения за заданной тахограммой) решается как краевая на интервале управления (полюсном делении). Высокопроизводительный контроллер позволяет на каждом интервале управления решать задачу движения и «прямую», для определения момента двигателя и тока фазы, и «обратную», для идентификации момента статической нагрузки. Последнее особенно важно для приводов сельскохозяйственного назначения, для которых величина момента нагрузки, как правило, носит вероятностный характер.

Структура ИСУ (рис. 1.1) определяется на основе метода синтеза оптимального управления с использованием принципа максимума Понтрягина, а алгоритм управления доставляет приводу предельное быстродействие по отработке угла поворота ротора ВИМ.

Методика учёта усталостного старения элементов изоляции ВИМ выявляет здесь возможности в получении оптимальной формы траектории изменения момента (тока фазы) на интервале управления (полюсном делении). Эти оптимальные траектории (треугольной и трапециидальной формы) сулят значительный выигрыш (в несколько раз) в снижении средней скорости усталостного старения элементов изоляции фазы ВИМ. При этом следует отметить, что целевая функция, включающая только анализ тепловых потерь, не позволяет установить такого оптимума для траектории момента (тока), и, практически, требует тривиального решения: кривая момента (тока) должна иметь на интервале управления минимальную амплитуду (прямоугольная форма).

Отметим, также, что значительное снижение средней скорости усталостного старения достигается увеличением тепловых потерь в ВИМ на величину, соизмеримую с 10% от номинальных электрических потерь.

1.3. Целевая функция при разработке нового привода и совершенствовании существующих приводовВыбор целевой функции при синтезе электропривода важный этап. Целевая функция предлагается комплексная, т. е. состоящая из нескольких компонент.

Во-первых, привод должен выполнять возложенную на него технологическую задачу. Это может быть задача стабилизации заданной координаты или слежения за изменяющимся произвольным образом сигналом задания и т. п.

Вовторых, привод должен обеспечивать максимальную производительность установки сельскохозяйственного назначения. В связи с поставленной технологической задачей, целевая функция обеспечения максимальной производительности сводится к требованию исполнения технологической задачи за минимальное время.

В-третьих, управление приводом должно обеспечить минимальные (в адаптивных системах управления) или допустимые электрические потери в двигателе при регулировании. Эта компонента целевой функции синтеза обеспечит приемлемый тепловой режим работы двигателя.

В-четвёртых, настройка привода или синтез его системы управления должен вестись с целью минимизации усталостных разрушений в изоляции приводного двигателя от циклического действия электродинамических усилий.

При разработке того или иного привода делается акцент на одни или другие компоненты комплексной целевой функции. Главная причина расстановки разных акцентов для разных задач состоит в необходимости получить компактные алгоритмы управления приводом, пригодные для микропроцессорного управления, а, также, в желании получить решение задач управления в универсальной аналитической форме. Но не только это. На выбор того, какую часть из составной, комплексной целевой функции оставить для аналитического синтеза, а какую использовать для контроля и анализа граничных состояний влияли иаприорные данные по отсутствию оптимума по данной составляющей цели. Например, изначально было очевидно, что электрические потери в ВИМ не смогут определить в данной постановке задачи оптимальную форму кривой тока (момента) на полюсном делении. Поэтому для ВИП такая составляющая целевой функции, как электрические потери, оставлена для контроля.

Представим в табличной форме состав комплексных целевых функций, принятых при разработке типов ЭП, указанных в разделе 1.2.

Из таблицы 1.9 видно, что производительность установки в любом случае является основой для целевой функции синтеза. Кроме того, качественное выполнение технологической задачи установки сельскохозяйственного назначения (в данном случае точная отработка технологической тахограммы рабочего органа с недетерминированными параметрами нагрузки, а для частотного привода и двигателя) в любом из вариантов является приоритетной задачей.

2. Проведенный анализ характеристик нагрузок механизмов сельскохозяйственного назначения, особенностей эксплуатации, комплекса дополнительных и специфических требований к электроприводу позволил поставить цели синтеза и проектирования ЭП, наметить направления исследований и интервалы изменения факторов, влияющих на эксплуатацию привода.

3. Выявлены факторы, влияющие на надёжность работы приводного двигателя, и приняты два наиболее значимых из них для формирования целевых функций при синтезе нового оборудования или модификации существующего: фактор теплового старения изоляции и фактор усталостного старения элементов изоляции статора от циклических воздействий электродинамических усилий в напряжённых динамических режимах. Рассматривать влияние этих факторов предлагается совместно и на начальном этапе независимо.

4. Отобраны перспективные привода для использования в механизмах сельскохозяйственного назначения: частотный привод и вентильно-индукторный привод. Отмечен уровень, достигнутый в разработке этих приводов, и намечены задачи, требующие решения.

5. Сформулированы комплексные целевые функции для оптимизации структуры привода. При безусловном выполнении технологической задачи установки целевая функция должна включать следующие компоненты: обеспечение максимальной производительности установкиснижение электрических потерь в электроприводеуменьшение средней скорости усталостного старения элементов ЭП в напряжённых динамических режимах.

2. ПОИСК ОПТИМАЛЬНЫХ СТРУКТУР ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ РЯДА УСТАНОВОК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯДля примера выбора оптимальной структуры привода рассмотрим несколько сельскохозяйственных установок: зерноочистительную машину и две установки для мойки деталей и узлов машин разной конструкции.

Технология зерноочистки заключается в разделении зерна на фракции по размеру зерен. Образуются фракции прохода и схода. По результатам работы зерноочистительной машины определяются сортность, загрязненность зерновой смеси, оцениваются его потребительские свойства.

Установки для мойки деталей и узлов машин также необходимы для эффективного ведения хозяйства на земле. Восстановление изношенных деталей позволяет иногда многократно использовать исчерпавшие ресурс детали и сборочные единицы. Износы поверхностей или другие дефекты, возникшие в процессе эксплуатации машин, могут быть устранены при восстановлении. Это значительно сокращает расход новых запасных частей, обеспечивает значительную экономию денежных средств и труда, способствует охране окружающей среды в связи с исключением этапов производства детали [85, 86, 87]. Анализ технологического оборудования перерабатывающих отраслей показывает, что более 70% быстроизнашивающихся деталей поддаются восстановлению. Себестоимость восстановления обычно составляет 20−70% цены новых деталей, а ресурс восстановленных деталей выше благодаря использованию эффективных способов восстановления и улучшенным свойствам упрочненных поверхностей.

Таким образом, совершенствование этих двух технологий, разработка для них более эффективных приводов является актуальной задачей.

В главе решаются задачи: • предлагается ряд структур электропривода установок сельскохозяйственного назначения-• описываются технологические процессы сепарации зерна и мойки деталей и составляются их математические модели-• выявляются преимущества той или иной структуры электропривода, формируются системы управления.

Технология сепарации зерна состоит в разделении зерновой смеси на фракции. Конструкция зерноочистительной машины представлена на рис. 2.1. Приводной двигатель 1, получающий питание от преобразовательной установки 2 (частотного преобразователя), приводит в движение решето 5. Вал двигателя и машины 8 закреплён в подшипниковых узлах 10 и соединён с решетом жёсткими связями 9. Поддон зерноочистительной машины 3 тоже подвижен. Приводит его в движение механизм уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебаний [88]. Механизм состоит из рычага 6, закрепленного на оси 7.

2.1. Структуры электропривода зерноочистительных машин2Ul, flРис.2.1. Конструкция зерноочистительной машины с частотным приводомОдин конец рычага 6 прикреплён к решету, а другой — к поддону. Механизм обеспечивает согласованные колебания поддона и решета. Эти колебания имеют амплитуды, соответствующие технологии, и проходят в противофазе, уменьшая раскачивающие машину моменты. Необходимое соотношение амплитуд колебаний решета и поддона обеспечивается разными плечами рычага: от оси 7 до точки крепления рычага к поддону с одной стороны и до точки крепления рычага к решету с другой стороны.

Так как ось машины наклонена по отношению к горизонту, зерно, совершая колебательные движения и разделяясь на фракции, перемещается вдоль оси машины к внешним кромкам поддона и решета, где и собирается с лотков по фракциям. С решета собирают фракцию схода зерна, а с поддона — фракцию прохода. Козырьки 4, закреплённые на решете, ограничивают перемещение зерновой смеси в процессе сепарации.

Была составлена модель, имитирующая процесс сепарации.

В основу модели были положены следующие допущения:• зерновая смесь представлена элементом с конечными линейными размерами-• взаимодействие решета и зерна описываются уравнениями баланса сил и моментов при постоянном коэффициенте трения-• взаимодействия движущихся масс: зерна, приведенной массы решета, двигателя и поддона на граничных участках своих допустимых траекторий описываются уравнениями ударного взаимодействия с составлением баланса количества движения и фиксированным коэффициентом восстановления [78]-• при возможных ударах в ряде структур привода поддона об ограничивающие элементы конструкции рамы (упругие элементы), масса рамы принимается равной бесконечности, а её скорость после удара равна нулю.

Моделирование осуществлялось в среде MATLAB. Ядро структуры модели представлено на рис. 2.2. Сделаем несколько комментариев к рисунку. Набор блоков 1 на рис. 2.2 представляет модель системы электропривода: источник синусоидальных составляющих момента или трёхфазный двигатель, включённый по двухфазной схеме питания.

Набор блоков 2 включает интеграторы, решающие дифференциальные уравнения движения (второй закон Ньютона) с начальными условиями, определяемыми ударными взаимодействиями движущихся масс. Блоки 3 определяют инерционные свойства движущихся масс с учётом нелинейной кинематической связи между поддоном и решетом (механизм уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебаний). Связь по углам поворота поддона и решета моделируется с использованием аппроксимирующего полинома Jla-гранжа. Учитывается также нелинейность в соотношениях приведения движущихся масс к решету или к поддону. Приведение движущихся масс к оси вращения поддона необходимо в случае, когда решается уравнение сохранения количества движения после удара поддона о раму. Блок автономной подсистемы 4 на рис. 2.2 отвечает за анализ условий возникновения ударов и формирование новых начальных условий движения для субъектов удара. Набор блоков 5 задаёт линейные размеры движущихся элементов зерноочистительной машины.

Совместное использование модели процесса сепарации и электропривода с целью выработки оптимальной структуры и выявления общих закономерностей в построении систем управления сложными технологическими процессами обсуждается в последующих разделах. Отметим, что общей положительной особенностью, предлагаемых структур является отсутствие кривошипно-шатунного механизма, обеспечивающего колебательный характер движения решета и поддона.

2.1.1. Зерноочистительная машина с преобразователем частоты, работающимв «синусном» режимеРассмотрим задачу оптимизации технологического процесса сепарации зерна, выполняемого на зерноочистительной машине. Ясно, что создание модели движения зерновой смеси не самоцель, а является лишь этапом в синтезе эффективного привода. Главная цель моделирования динамики движения зерновой смеси состоит в обоснованном выборе структуры электропривода и оптимальной его настройке с целью получения максимальной эффективности сепарации.

При постановке оптимизационной задачи разработки и настройки привода одним из главных этапов является выбор целевой функции, связанной с технологией сепарации. В данном случае наиболее точно отражает эффективность сепарации значение интеграла:(2.1)Тгде <щ и о>1 — угловая частота вращения решета, и усредненная угловая частота вращения центра масс зерновой смеси, соответственноt и Т — время текущее и период цикла сепарации.

Тип привода, наиболее точно соответствующий особенностям технологического процесса — частотный, выполненный на базе асинхронного коротко-замкнутого двигателя и однофазного частотного преобразователя [50]. Структура привода представлена на рис. 2.3.

Сеть СУ /ЗМРис. 2.3. Структура частотного привода: ПЧ — преобразователь частотыСУ — система управленияАД — асинхронный двигательЗМ — зерноочистительнаямашинаДвигатель (АД), ротор которого механически соединён с зерноочистительной машиной (ЗМ), получает питание от однофазного частотного преобразователя (ПЧ). Выход преобразователя соединён с двумя обмотками статора, включёнными последовательно. Третья обмотка статора подключена непосредственно к сети. Система управления ПЧ (СУ) формирует алгоритм управления его силовыми ключами.

При данном способе включения асинхронного электродвигателя происходит непрерывное изменение сдвига фаз между двумя напряжениями питания, обуславливаемое различными величинами периодов питающих напряжений. Поле в рабочем зазоре при этом меняется от кругового до пульсирующего с изменением чередования фаз, что приводит к появлению периодически меняющегося электромагнитного момента двигателя. Частота изменения момента, а, следовательно, и скорости ротора, определяется абсолютной разностью частот питающих напряжений [50, 121]: fk=ff2[ (2'2) где fk — частота изменения моментаf — частота сети переменного тока-/2 — частота напряжения на выходе однофазного преобразователя частоты.

Движение решета в модели осуществляется циклическое и устойчивое. На выходе преобразователя напряжение содержит не одну, а две гармоники, и столько же гармоник содержит и движущий момент. Таким образом, в предложенной структуре привода (рис. 2.2) легко получить момент двигателя, состоящий из двух составляющих, первая из которых определит основную траекторию раскачивания решета в пределах конструктивных ограничений машины. Частота этой составляющей момента должна быть близка к собственной частоте колебаний самой установки — это даст экономию электроэнергии, расходуемой на сепарацию. При этом потенциальные моменты, возвращающие решето в нижнее положение, обеспечат симметричность колебаний относительно положения устойчивого равновесия.

Если оставить основную составляющую момента единственной, то процесс сепарации будет проходить вяло, удары зерновой смеси об ограничивающие козырьки будут иметь место только в положениях близких к крайним, когда зерно под собственным весом начинает скользить в сторону противоположную движению, сталкиваясь периодически с ограничивающим его движениекозырьком. Фактически эффективность процесса сепарации окажется невысокой.

Модель (рис. 2.2) позволяет получить вид фрагмента переходного процесса изменения положения зерна, решета и поддона при сепарации и действии одной составляющей момента двигателя (рис. 2.4). Переменные даны здесь и далее в относительных величинах.

Рис. 2.4. Переходной процесс изменения положения решета (1), зерна (2) и поддона (3) для момента двигателя синусоидальной формыНа порядок возрастает эффективность сепарации, если добавить вторую составляющую момента двигателя повышенной частоты. Теперь решето находится как бы в режиме дополнительной «тряски». Начальные условия ударов приведенной подвижной массы машины и зерна интенсивно изменяются, что вызывает энергичное движение зерна относительно решета практически во всём возможном диапазоне. Удары следуют чаще, причём и о правый, и о левый козырек рис. 2.1. Эффективность сепарации по (2.1) значительна. Переходной процесс изменения положения зерна, решета и поддона для этого случая сложного спектрального состава момента двигателя представлен на рис. 2.5.

Теория планирования эксперимента позволяет найти оптимального значения частоты и амплитуды дополнительной гармоники момента. Результатэксперимента представлен поверхностями отклика на рис. 2.6. Значения факторов (момент и частота) закодированы."0,2 ОД 5 ОД 0,05 О-0,051*-ОД -0,15 -0,2Рис.2.5. Переходной процесс изменения положения решета (1), зерна (2) и поддона (3) для момента сложного спектрального составаДля иллюстрации важны не столько численные значения оптимальных параметров, сколько их наличие, а также то, что при оптимальной настройке наступает максимум ещё одной переменной: электромагнитной мощности, потреблённой двигателем (Wn0Tp.)Рис.2.6. Поверхности отклика F (относительный угол поворота зерна и решета) и Wnorp. (потреблённая двигателем электромагнитная энергия) при двух факторах: величинах дополнительного момента двигателя (Мдоп.) и его частоте (f^on.)Это означает, что привод не обязательно настраивать на фиксированную комбинацию гармоник моментов двигателя, а он может быть выполнен как адаптивный с новой целевой функцией (электромагнитной мощностью, потреблённой двигателем), которая при адаптации даёт тот же оптимальный результат, что и (2.1). Преимущества новой целевой функции в том, что её гораздо проще измерить прямо или косвенно, в отличие от интеграла (2.1), значение которого не поддаётся контролю на реальной установке.

Использование адаптационного алгоритма желательно, так как настройка на фиксированную комбинацию гармоник момента не всегда может дать оптимальный процесс: всё будет зависеть от влажности, сыпучести, весе и других параметров очередной порции зерна, изменяющихся случайным образом.

Итак, пользуясь тем, что максимумы функции потреблённой двигателем электромагнитной энергии и эффективности сепарации совпадают, имеем возможность вести сепарацию на зерноочистительной машине с электроприводом, выполненным на базе асинхронного двигателя, включенного по схеме «синусного» режима (рис. 2.3), при адаптивном управлении по косвенному показателю эффективности: максимуму потреблённой электромагнитной энергии.

2.1.2. Зерноочистительная машина с приводным двигателем, включённым по однофазной схеме питанияСхема подключения приводного двигателя к сети имеет вид, представ) ленный на рис. 2.3, при отсутствии частотного преобразователя, что упрощает техническую реализацию привода зерноочистительной машины. Кроме того, конструкция зерноочистительной машины дополнена двумя ограничителями движения поддона, выполненными в виде закрепленных на раме упругих пла-^ стин и фиксатором крайнего положения поддона, закрепленном на раме (рис. 2.7).^ Работа зерноочистительная машина данной конструкции требует допол§ нительных детальных пояснений, поэтому приведём ещё несколько рисунков.

Зерновая смесь подается на решето 5. Поддон 3, решето, масса зерновой смеси, вал 8 и двигатель 1 начинают движение посредством освобождения поддона из фиксатора 11, расположенного на раме. Движение начинается под действием активного момента, приведенного к валу и возникающего от равнодействующей сил тяжести смещенного относительно оси OY поддона, решета и массы зерновой смеси (рис. 2.9 а). Асинхронный однофазный двигатель 1 разгоняется до установившейся скорости и обеспечивает дальнейшее движение машины посредством существующих между валом 8 и решетом жестких связей 9. Поддону 3 движение от двигателя передается через решето 5 и механизм уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебания 6. Поддон поворачивается до своего крайнего положения и ударяется об ограничитель движения 2. При ударе часть кинетической энергии подвижных частей машины (поддона, решета, зерна, вала, двигателя) рассеивается в виде тепла, а часть кинетической энергии остается у подвижных частей машины. Скорость подвижных частей машины после удара меняет знак, скольжение асинхронного однофазного двигателя становится меньше единицы, к валу двигателя прикладывается приведенный момент от активных сил, направленных в противоположную сторону от ограничителя движения поддона, и двигатель начинает разгонятьсяРОССИЙСКАЯГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКАв обратную сторону. В результате поддон 3 движется ко второму ограничителю движения 2, где вновь происходит упругий удар, и цикл работы машины повторяется. Вследствие того, что колебание решета и поддона для фракции прохода зерна происходят в противофазе, осуществляется уравновешивание сил инерции, возникающих при колебании.

Вид А1(М 2:1)Рис. 2.8. Конструкция зерноочистительной машины с положением упругих пластин (ограничителей) 2, фиксатора 11 и конструкцией механизма уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебаний 6а) б)Рис. 2.9. Распределение усилий для двух моментов процесса сепарации: начального момента загрузки зерновой смеси и пуска машины (а) и момента удара поддона об упругую пластину в процессе сепарацииI (M 2:1)II (M 2:1)tNII (M 2:1)m2=cotNm2=ooа) б) в) Рис. 2.10. Диаграммы сил, приведенных к точке удара поддона об упругую пластину в начальный момент времени пуска машины (а) и в момент удара поддона о гибкую пластину для двух вариантов распределения масс зерновойсмеси после удара (б, в) При этом из-за разности длин плеч L1 и L2 рычага механизма уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебания (рис. 2.8) колебание решета и поддона для фракции прохода зерна происходит с различной амплитудой. Зерновая смесь, попадая на козырьки 4, направляется ими обратно на решето, за счет чего происходит интенсивное перемешивание зерна. Зерновая смесь под действием колебаний и упругих ударов перемещается поперек решета 5, а за счет наклона — вдоль решета 5. Часть зерна попадает сквозь отверстия решета 5 на поддон для фракции прохода зерна 3, а часть перемещается к схо-довой кромке решета 5. Вследствие того что привод начинает свое движение под воздействием активного момента сопротивления, а на раме, напротив торцов поддона, располагаются ограничители движения, формирующие условия движения при реверсе привода, однофазный асинхронный двигатель осуществляет колебательное движение поддона и решета, обеспечивая технологический цикл сепарации зерновой смеси. Пуск и изменение направления скорости движения двигателя, поддона и решета осуществляется без преобразователя частоты и пусковой схемы.

Технологический цикл сепарации зерна зерноочистительной машины начинается с процесса пуска, высвобождения фиксатором поддона и сопровождается упругими ударами об ограничители движения поддона. При пуске и упругих ударах для двигателя формируются условия по скорости и усилиям, приложенным к валу, необходимые для дальнейшего движения асинхронного однофазного двигателя, не обладающего пусковым моментом без дополнительной пусковой схемы.

На рис. 2.9, а представлено распределение масс машины при пуске с указанием точек приложения сил тяжести поддона (Рп), решета (Рр) и фракции схода зерна (РфС). Оси симметрии поддона и решета в момент времени начала пуска смещены относительно оси симметрии машины OY, что определяет наличие начального момента от сил тяжести Рп, Рр, Рфс. Приведение сил к точке удара (А) дает отрицательное результирующее усилие, направленное в сторону начала движения (вниз на рис. 2.9, а):где Fn, Fp^c — приведенные силы к точке удара А, соответствующие силам тяжести поддона решета и фракции схода зерна (Рп, Рр и Рфс) соответственноFm — приведенная к точке удара, А реактивная сила трения в подшипниковых опорах, возникающая с началом движения.

После запуска машины скорость двигателя <щ растет от нуля, скольжение s становится меньшим единицы, момент двигателя, вызванный током прямой последовательности, возрастает, что в свою очередь вызывает дальнейший рост скорости. При завершении пуска скорость двигателя достигает установившегося значения.

Когда поддон подходит к своему крайнему положению, происходит упругий удар его об ограничитель движения поддона. Скорость поддона после удара вдоль линии удара AN (рис. 2.10, б, в) рассчитывается: Щ =-bvb (2.5)где V! и щ — линейные скорости поддона по линии удара AN (нормали) до удара и после него соответственнок — коэффициент восстановления.

Коэффициент восстановления характеризует убыль кинетической энергии тел в результате удара: где т — приведенная к точке удара масса поддона, решета, вала, двигателя и зерна.

При 0 «к < 1, что соответствует упругому и не вполне упругому удару и обеспечивается упругими свойствами ограничителей движения поддона, линейная скорость поддона (щ) по (2.5) не равна нулю и меняет знак. При ударе происходит перераспределение движущихся масс зерна фракции схода и прохода (рис. 2.9, б) и диаграмма сил тяжести, приведенных к точке удара А, имеет вид, соответствующий либо рис. 2.10, б, либо рис. 2.10, в, в зависимости от свойств зерновой массы (влажности, сортности и т. п.). Баланс сил, приведенных к точке удара А, способствует возобновлению движения после удара: где M (si) — момент двигателя, рассчитанный по соотношению (2.4) при скольжении, соответствующий линейной скорости поддона в точке удара, А после удара («i) — ^ =(<�у0-<�у1)/<�у0- скольжение двигателя после ударащ = щ-р — угплечи механизма уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды (рис. 2.8) — г — радиус решета (длина жестких креплений вала двигателя к решету) — Рфп «приведенная к точке удара, А сила тяжести зерна фракции проходаРфп.

Соотношением (2.7) описывается наихудший случай сочетания знаков приведенных сил для продолжения движения (рис. 2.10 в против рис. 2.10 б), а выполнение неравенства (2.7) обеспечивается выбором двигателя по мощности.

Из (2.3) -т- (2.7) следует, что при пуске и после упругих ударов, происходящих в процессе сепарации, создаются условия для скорости поддона, решета, зерна и двигателя, а также для сил, воздействующих на подвижную часть зерноочистительной машины, необходимые для продолжения движения. Поддон, решето и зерно зерноочистительной машины приводятся в движение двигателем, как в момент пуска, так и после ударов в соответствии с технологическим циклом сепарации зерна.

Как показывает опыт эксплуатации подобной установки [89], характер нагрузки остается активным во время всего цикла сепарации зерна: результирующий момент и приведенные силы в крайних положениях поддона направлены против движения. Упругий удар, в соответствии с кинематической схемой и первым законом Ньютона, отбрасывает часть зерна в направлении скорости (2.7)ловая скорость двигателя после ударар = ^ ^ - радиус приведенияLi и Ь2 —кпрекратившегося движения по инерции, увеличивая активные составляющие момента, способствующие продолжению движения. Поэтому, наиболее вероятным случаем распределения приведенных усилий после удара является вариант распределения приведенных усилий, представленный на рис. 2.10 б. Это обстоятельство усиливает неравенство (2.7) и позволяет выбрать двигатель меньшей мощности. Изменение ускорения в результате упругого удара способствует эффективному перемешиванию, сходу и разделению зерна на фракции.

В соотношении (2.3) учитывается малая величина составляющейпрепятствующей движению при пуске, так как центр тяжести зерна, засыпанного в машину для сепарации, первоначально расположен из-за высокой сыпучести зерновой массы близко к вертикали OY или на ней.

Вследствие того что в структуре привода отсутствуют частотный преобразователь и пусковая схема для однофазного асинхронного двигателя, упрощается техническая реализация привода зерноочистительной машины.

2.1.3. Зерноочистительная машина с подвижным статором приводного асинхронного двигателяИзменения в структуре зерноочистительной машины могут ограничиваться способом крепления асинхронного двигателя. Конструкция в целом новой установки остаётся прежней (рис. 2.7), за исключением косынки, прикреплённой к поддону, служащей для установки двигателя 11 (рис. 2.11).

Такое крепление двигателя использует ту особенность работы машины, что решето и поддон не совершают в процессе сепарации полного оборота. Поэтому подвод к статору двигателя электрической мощности не вызывает затруднений.

При креплении двигателя к раме, вся энергия механических колебаний передаётся поддону через механизм уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебаний (рис. 2.7), что делает необходимым изготавливать его достаточно прочным и требует постоянного контроля состояния трущихся друг относительно друга частей механизма, быстро выходящих из строя. Можно разработать конструкцию узла сочленения поддон — рычаг и решеторычаг с использованием подшипниковых узлов, но это удорожает установку.

Рис. 2.11. Конструкция зерноочистительной машины с частотным приводом иЕсли статор асинхронного двигателя при установке крепить не к раме, а к косынке 11, закреплённой на поддоне, то поток механической энергии, необходимый для колебательного движения поддона, получает ещё один путь. Теперь механическая энергия колебаний передаётся поддону не только через механизм уравновешивания, но и непосредственно от статора двигателя, так как, согласно третьему закону Ньютона, ротор, находясь под воздействием электромагнитного момента, сам воздействует посредством электромагнитного поля на статор с моментом той же величины, но другого знака.

Совершенно разгрузить от механических напряжений механизм уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебаний нельзя: функция согласования амплитуд колебаний элементов зерноочистительной машины у него остаётся, но значительная часть механической мощности к поддону теперь поступает через подвижный статор.

112Ul, flподвижным статором асинхронного двигателяСредняя частота вращения, которая будет развиваться двигателем при новом креплении, становится несколько большей по величине. Действительно, частота вращения ротора относительно неподвижной рамы определяет технология сепарации и она должна быть неизменной независимо от способа крепления двигателя. При новом креплении не только ротор относительно рамы сохраняет прежнюю частоту вращения (как и для случая крепления двигателя на раме), но и статор начинает двигаться одновременно с поддоном в противоположную ротору сторону. Ясно, что частота вращения ротора относительно статора при этом возрастает, а значит, принимая во внимание известное соотношение для машинной постоянной Арнольда, при заданной мощности можно выбрать двигатель меньших размеров, массы, а значит и стоимости [7].

Таким образом, крепление двигателя к поддону в установке при работе двигателя в синусном режиме приводит и к увеличению надёжности работы механических узлов машины и к снижению стоимости электротехнического оборудования. Изменение структуры зерноочистительной машины в данном случае свелось к иному способу крепления двигателя и к введению в конструкцию нового элемента — металлической косынки.

2.2. Структуры электропривода установок для мойки деталей и узлов машинНа рис. 2.12 представлены две установки для мойки деталей и узлов машин. Технология мойки одинакова у двух установок, но есть и различия [122]. ф Для установки с двумя контейнерами (рис. 2.12, а, б) загрязненные детали и узлы помещаются в ванну 1, в контейнеры с перфорированными стенками и дном 4 на колеблющуюся платформу 2. Платформа подвешена на двух кронштейнах 3 и приводится в колебательное движение посредством вала 5. Параметры колебаний выбирают в зависимости от нагрузки на платформу 2 и характера загрязнения. Частицы загрязнения проваливаются через перфорацию контейнеров, А на дно ванны и не загрязняют верхние слои моющего раствора.

В)Рис.2.12. Конструкция установок для мойки деталей и узлов машин с двумя (а, б) и одним (в) контейнером для загрязнённых деталейКолебательное движение платформы 2 и вала 5 обеспечивается редуктором 6, передающим вращение от асинхронного двигателя 7. Двигатель получает питание от сети переменного тока и однофазного преобразователя частоты 8.

Установка для мойки, изображённая на рис. 2.12, в, работает следующим образом. Загрязненные изделия помещаются в перфорированный контейнер 4, имеющий раструбы 3, приводимый в колебательное движение посредством скобы 6 и двигателя 7. Перфорированный контейнер 4 с деталями движется по дугообразным каналам 2 как поршень. При движении перфорированного контейнера 4 основная часть моющего раствора принудительно направляется через диффузор, образованный раструбом 3 и контейнером 4. Изменение направления и скорости движения контейнера 4 достигается за счет наличия трехфазного асинхронного двигателя 7. Частицы загрязнения проваливаются через перфорацию контейнера на дно ванны и не загрязняют верхние слои моющего раствора.

Рассмотрим подробнее процесс мойки на установке (рис. 2.12, а, б), а в заключении обобщим результат анализа работы этой установки на другие варианты технологий.

В соответствии с технологией мойки платформа с контейнерами совершает колебательные движения постоянной амплитуды около горизонтального положения, при котором ось симметрии платформы и кронштейнов совпадает с вертикалью OY (рис. 2.12, б). В установке исходной конструкции такой характер движения обеспечивается наличием кривошипно-шатунного механизма. Благодаря наличию этой жёсткой кинематической связи положение платформы определено в любой момент времени и соответствует размерам ванны.

В рассматриваемой установке без кривошипно-шатунного механизма это движение платформы должно обеспечиваться законом формирования частоты напряжения, питающего двигатель, и моментами сопротивления, приложенными к валу. Это утверждение в полной мере относится и к модифицированным структурам зерновых машин: во всех случаях параметры движения, ранее обеспечиваемые кривошипно-шатунным механизмом, в его отсутствии должны быть обеспечены в совокупности и электрической частью привода (преобразователем с системой управления и двигателем), и типом статической нагрузки. На примере установок для мойки покажем возможности систем с модифицированной структурой (рис. 2.1, рис. 2.7, рис. 2.11).

Синусоидальный характер изменения момента трехфазного асинхронного двигателя объясняется, как отмечалось, специальной схемой подключением двигателя к сети и преобразователю [50, 121].

Приведенные к валу моменты от равнодействующей выталкивающих сил и вязкого трения придают процессу колебаний платформы устойчивость и симметрию относительно вертикали OY. Момент от равнодействующей выталкивающих сил, действующих на контейнеры, пропорционален угловому перемещению платформы 2, что обеспечивается конструкцией установки, а также тем, что при загрузке деталей и узлов в контейнеры проводится сортировка с целью обеспечения для контейнеров примерно равного общего и удельного веса деталей и узлов, загруженных в каждый из них. В этом случае платформа первоначально будет располагаться горизонтально, и её колебания будут происходить симметрично относительно вертикали OY.

Момент вязкого трения имеет место благодаря наличию моющего раствора в ванне.

Закон изменения угла поворота вала во времени соответствует устойчивости и симметрии колебательного движения платформы относительно вертикали OY, так как, решая (2.8), имеем: где С1 и С2 — коэффициенты, которые находятся из начальных условий-&bdquo-2-J. М7] 2 =-1 — постоянные времениАр =. —- амплитуда колебаний платформыу/ = arctg/ ' ®м-к2ki-tal-Jсдвиг по фазе колебаний платформы относительно момента двигателя.

После затухания свободных составляющих, определяемых начальными условиями движения платформы (первые два слагаемых в (2.9)), она устойчиво колеблется около среднего положения при ф = О, что соответствует положению вертикали OY, с фиксированной амплитудой и фазой. По соотношению (2.9) выбираются параметры управления (амплитуда момента М и частота его изменения ам), позволяющие полностью использовать пространство ванны, заполненное моющим раствором.

Загрязненные детали собраны в контейнеры для получения большего значения приведенного момента от равнодействующей выталкивающих сил (увеличивается kj). При этом колебания платформы при равномерной загрузке контейнеров стабильны и симметричны относительно вертикали OY.

При значительном коэффициенте кг, определяющим величину момента вязкого трения, показатели степени двух первых слагаемых в (2.9) равны действительным значениям, а значит, установка не имеет собственных частот колебаний, что делает процесс мойки устойчивым.

Таким образом, наличие трехфазного асинхронного двигателя и однофазного преобразователя частоты, специальным образом организованное управление ими по закону (2.9) и особенности конструкции установки позволяют полностью реализовать функции кривошипно-шатунного механизма и исключить его из кинематической схемы. Благодаря включению контейнеров в конструкцию установки процесс мойки становится стабильным. Наличие однофазного частотного преобразователя дает возможность регулирования частоты колебания платформы и получения таких значений частот этих колебаний, при которых достигается наилучшая очистка деталей и узлов машин с использованием всего пространства ванны, заполненного моющим раствором.

Наличие коэффициента С2, определяемого из начальных условий, указывает на то, что колебания происходят в этом случае около положения, случайным образом определенного и не связанного с направлением вертикали OY. Если платформа до пуска установки была зафиксирована в горизонтальном положении, то и тогда в процессе работы, за счет случайных факторов, изменяющих нагрузку на валу двигателя при движении его в одну, а затем в другую сторону, положение (угол поворота), при котором происходит смена направления скорости будет произвольно и непредсказуемо смещаться. Это приведет кударам платформы об элементы конструкции. При этом процесс мойки с законом движения платформы (3) не обладает свойством «самовыравнивания», которое было присуще закону движения (2). Таким образом, наличие контейнеров, увеличивающих долю приведенного момента от равнодействующей сил выталкивания, необходимо.

Отсутствие момента вязкого трения приводит к неустойчивому движению платформы по закону:<p{t) = Cl-sin¦J5)(+ C2-cosЛ[ М 'sm{a)Mt)h-J'.

Итак, процесс мойки деталей и узлов машин в установке предлагаемой конструкции устойчив. Характер движения платформы полностью соответствует технологии. Применение трехфазного асинхронного двигателя и однофазного частотного преобразователя для приведения установки в движение упрощает кинематическую схему и повышает ее надежность, происходит улучшение энергетических показателей работы установки.

Аналогичный анализ можно провести и по другим рассматриваемым установкам (рис. 2.1, рис. 2.11, рис. 2.12). Отличие будет только состоять в природе сил, возвращающих установки в нейтральное положение: для установок, представленных на рис. 2.1 и рис. 2.12, такой силой будет вес приведенных подвижных частей. Для зерноочистительной машины, также, моменту вязкого трения будет соответствовать характер взаимодействия решета и зерна.

Таким образом, использование синусного режима работы двигателя [50,82] не нарушит технологий мойки деталей и сепарации зерна. Структурыприводов для установок рис. 2.12 могут соответствовать рис. 2.1 и рис. 2.11 [170, 172, 174].

Привод с однофазным двигателем, фиксатором и упругими ограничителями также пригоден для технологий мойки деталей [171, 173]. В данном случае ограничители ставятся на пути движения ванны для установки мойки с двумя контейнерами (рис. 2.12, а, б) или на пути скобы для установки мойки с одним контейнером (рис. 2.12, в).

2.3. Структура электропривода для установок сельскохозяйственногоназначенияАнализируя полученные в главе 2 результаты, можно заключить, что любые изменения в кинематической схеме установки сказываются в той или иной мере на силовой части системы управления и информационной её части (рис. 1.1). Общая тенденция при этом такова: если из кинематической цепи удаляются элементы, существенно влияющие и определяющие характер движения рабочего органа, то структура ССУ и ИСУ должна брать на себя те функции, которые были присущи удалённому кинематическому узлу. В рассмотренных примерах речь идёт о кривошипно-шатунном механизме.

При замене кривошипа однофазным двигателем для этого потребовалось наличие упругих пластин, фиксатора и определённых правил при запуске установки, а при выборе частотного привода — само наличие частотного преобразователя в достаточной мере восполняет отсутствующий механический элемент.

В расчётах необходимо учитывать, что материалоёмкость и надёжность установок при этом возрастает: современные электронные силовые блоки и блоки управления достаточно миниатюрны и легки, но при этом в данных конкретных случаях предлагается эксплуатировать двигатель в несимметричных режимах, что, конечно, не может не вызвать снижение КПД его работы. Последнее требует увеличение мощности приводного двигателя. Однако и кривошипно-шатунный механизм имеет невысокие показатели работы: КПД и надёжность.

Изменяя качественно характеристики установки, например, переходя к адаптивному управлению (раздел 2.2.), следует также учитывать и рост производительности оборудования, что может оправдать первоначальные затраты на его модернизацию. Рост производительности устраняет возможные потери продукции. Упущенная выгода, которая имела место при работе на старом оборудовании при несвоевременной переработке урожая, потере его качества, теперь может стать доходом.

Необходимо отметить и ещё одну особенность современного привода: цена широкорегулируемых по скорости приводов с высокоскоростными контроллерами управления постоянно снижается. Если совсем недавно, векторное управление в частотном приводе применялось для узкого круга особо ответственных механизмов, то теперь, если судить по рекламе производителей приводов в Западной Европе, большая часть приводов малой и средней мощности управляются именно так. Правда, часто оказывается, что под векторным управлением понимается использование при частотном регулировании лишь фиксированного закона совместного изменения частоты преобразователя и его напряжения в зависимости от типа нагрузки, но это не противоречит общей тенденции: в приводах общего назначения находят применение всё более качественные и наукоёмкие технологии управления.

При использовании специализированных контроллеров для управления частотным приводом не составляет большого труда придать ему свойства адаптивного и следящего привода. Последнее может кардинально решить проблему упрощения кинематики механизмов и, как следствие, снижения их материалоёмкости. Причём двигатель при глубоком регулировании скорости вращения работает в симметричных режимах, гарантируя высокие энергетические показатели привода.

Глава 3 работы будет посвящена разработке частотного привода для механизмов сельскохозяйственного назначения, обладающего указанными преимуществами.

Реализовать технологии обработки продукции сельскохозяйственного производства можно на установках, снабжённых разнообразными приводами. Выбор наиболее эффективной схемы и системы электропривода, как правило, требует учёта нескольких факторов. При этом формируется комплексный показатель качества. Рассмотрим один из алгоритмов подсчёта комплексного показателя качества на основе экспертных оценок и составления матриц смежности оценок для различных приводов [114].

Частные критерии, составляющие комплексный показатель качества, должны отражать все особенности рассматриваемых систем электропривода. В их состав входят следующие: К1 — оптимальность кинематической схемы, определяющая материалоёмкость установки-К2 — сложность системы электропривода, куда включаем сложность и стоимость отдельных его узлов-КЗ — надёжность работы приводного двигателя-К4 — экономичность электропривода-К5 — эффективность технологии, куда включается и рост производительности установки, полученный вследствие модернизации электропривода.

Частные критерии систем оцениваем по пятибалльной системе. Так как по отношению к каждому приводу любой другой может быть и хуже и лучше, то средний уровень при оценке принимается пять баллов. Лучший привод относительно базового будет иметь относительную оценку, рассчитанную как[5+(пятибалльная оценка оцениваемого привода — пятибалльная оценка базового привода)], а худший — соответственно, как [5 — (пятибалльная оценка базового приводапятибалльная оценка оцениваемого привода)]. Нулевой результат для худшего привода будет означать полное отсутствие указанного потребительского свойства, оцениваемого по частному критерию. Так заполняется каждый из столбцов матриц смежности для каждой из систем привода. Матрица смежности по первому критерию представлена в таблице 2.1.

По сложности всем проигрывает система Х5 с векторным управлением. Система Х6 на балл лучше за счёт простоты инвертора и двигателя. В Х4 отсутствует контроллер, а в ХЗ частотный преобразователь однофазный. Это определяет их сравнительно высокий балл по сложности. В наилучшем положении по этому критерию находится привод по системе XI, не требующий регулирования скорости. Матрица смежности по критерию сложности электропривода представлена в таблице 2.2.

Система Х6, несмотря на глубокое регулирование скорости и сложный гармонически состав кривой питающего напряжения (тока) вентильно-индукторного двигателя, изначально укомплектована двигателем весьма надёжным, благодаря катушечному исполнению обмотки и простоте ротора. Ремонтопригодность обмоток статора высока. Микропроцессорная система управления в последнем случае также даёт дополнительные возможности повышения надёжности работы ВИП. Поэтому по надёжности система Х6 не уступает системе XI. Матрица смежности по критерию надёжности двигателяпредставлена в таблице 2.3.

Эффективность технологии переработки продукции растёт в микропроцессорных системах значительнее за счёт возможности организации поисковых систем, а в нерегулируемой системе Х2 за счёт наличия упругих ударов, которые создают положительный эффект.

Матрица смежности по критерию эффективность технологии представлена в таблице 2.5.

Таблица 2.7Расчёт комплексного показателяВариант XI Х2 ХЗ Х4 Х5 Х6 BothК1 0,0035 0,0457 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,274К2 0,0109 0,0109 0,0076 0,0060 0,0027 0,0043 0,042КЗ 0,0486 0,0247 0,0326 0,0326 0,0406 0,0486 0,228К4 0,0337 0,0131 0,0200 0,0268 0,0405 0,0474 0,181К5 0,0145 0,0353 0,0457 0,0457 0,0665 0,0665 0,274Qi 0,11 0,13 0,16 0,17 0,21 0,22 1Наиболее субъективным этапом в методике оценки эффективности системы привода по комплексному показателю является этап назначения значимости частных критериев. На рис. 2.13 показано как меняется результат расчёта с ростом значимости критерия сложности системы привода (К2). С ростом важности этого критерия, что может быть следствием завышением цен на комплектующие дилерами и перекупщиками при отсутствии в стране собственного производства электронных микропроцессорных компонентов, системы адаптивные и высокоуправляемые (Х5, Х6) становятся менее эффективными.

Двухфазный привод с частотным однофазным преобразователем (ХЗ)авная значимостьПривод с вентильно-индукторным двигателем и оптимальным управлением (X6)Трёхфазный привод с векторным оптимальным управлением (Х5)Трёхфазный привод с преобразователем частоты и U (f)=const (X4)Двухфазный привод с ударным взаимодействием (X2)Нерегулируемый привод постоянной частоты вращения (XI)К2=3,4К2=1,22 3 4Система электроприводаРис.2.13. Графики изменения комплексного показателя качества для разных типов приводов и разной значимости коэффициента сложности привода (К2=0−5, равная значимость) При равной значимости всех пяти критериев наблюдается тенденция роста показателя качества для электроприводов с микропроцессорным и адаптивным управлением. Оптимистический взгляд на итоги развития отечественной электротехнической промышленности и мировая тенденция развития техники убеждают, что кривые комплексного показателя качества (К2=0, К2=1,2) на рис. 2.13 наиболее близки к истине. Этим и определяется актуальность работы, цель которой разработать электропривод с микропроцессорным управлением и адаптивными алгоритмами реализации комплексных целевых функций управления для механизмов и установок сельскохозяйственного назначения.

2.4. Выводы по главе1. Предложен ряд структур конкретных механизмов сельскохозяйственного назначения (зерноочистительной машины, установок для мойки деталей и узлов) и дан анализ их влияния на привод. Установлено, что упрощение кинематических цепей требует подробного анализа по возможности переноса функций удалённых кинематических узлов на электропривод.

2. Установлено, что для рассматриваемых механизмов и установок состав статических нагрузок (активная составляющая, составляющая вязкого трения) позволяет осуществить замену кривошипно-шатунного механизма приводами со свойствами источников момента.

3. Предложена конструкция механизмов, позволяющая использовать в качестве приводного двигателя однофазный двигатель, или трёхфазный, включенный по однофазной схеме без преобразовательных установок и пусковых устройств.

4. Предложен вариант установки приводного двигателя, который значительно облегчает режимы работы кинематических узлов и снижает материалоёмкость установки за счёт выбора более скоростного двигателя.

5. С помощью экономического расчёта и ранжирования ряда приводов по частным критериям, составляющим комплексный показатель качества, показана актуальность задачи разработки и внедрения регулируемого привода для установок сельскохозяйственного назначения.

6. Модель движения зерновой смеси и алгоритмы оптимизации процессов мойки и сепарации опубликованы автором в [120 — 123,126,136,143,189,190], обсуждались на конференциях [130 — 132,], а результаты совершенствования установок защищены патентами РФ [169−175].

3. СЛЕДЯЩИЙ АДАПТИВНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ПРИВОД С ВЕКТОРНЫМУПРАВЛЕНИЕМИз материалов первой и второй глав следует, что управляемость привода во многом определяет сложность, а, следовательно, и надежность кинематических цепей технологических установок, в том числе и установок и механизмов сельскохозяйственного назначения: упрощение и повышение надежности работы кинематической цепи ведет к требованиям повышения управляемости и усложнению электрической части привода. Кинематическая цепь во многом определяет материалоемкость и габариты установки, а постоянное удешевление электронных узлов при улучшении их потребительских свойств, доступность для широкого использования контроллеров делает этот путь совершенствования привода перспективным. За базовый для построения эффективного привода принимается наиболее распространенный привод с асинхронным короткозамк-нутым двигателем. Задача электропривода и системы управления в целом состоит в обеспечении эффективного управления исполнительным двигателем. Под эффективным управлением будем понимать управление, обеспечивающее не только технологические параметры установки (производительность, качество обработки сырья и т. п.), но и минимизацию энергетических затрат, рост надежностных показателей работы привода.

В главе при синтезе частотного асинхронного привода решаются следующие задачи:• использование терминального принципа управления без регуляторов с фиксированной структурой, что делает привод более адаптированным к микропроцессорному управлению: требуется формирование необходимого (оптимального) сигнала задания-• формирование оптимального закона управления при минимизации электрических потерь в двигателе и обеспечении максимальной производительности установки-• обеспечение идентификации в процессе управления, как параметров электрической части электропривода (активного и индуктивного сопротивлений двигателя), так и случайно изменяющейся нагрузки на валу двигателя.

3.1. Структура частотного приводаПринцип терминального управления [32, 35−37] заключается в формировании сигнала задания такой формы, которая бы оптимизировала заданную целевую функцию. Наличие целевой функции и микропроцессорного управления делает необходимым и возможным выполнение программного эйлеровского регулятора [30]. Соотношения, положенные в основу расчетов базируются на использовании элементов вариационного исчисления [39, 40]. Основной задачей, стоящей на этапе выбора структуры привода, является получение достаточно компактной и простой передаточной функции объекта управления (асинхронного двигателя). Если модель объекта имеет передаточную функцию с характеристическим уравнением высоких порядков или является нелинейной, то решение вариационной задачи управления становится неоднозначным или отсутствует вообще. Асинхронный двигатель является нелинейным объектом, поэтому принимается решение использовать управление по вектору потокосцепления ротора двигателя [10, 11, 22 — 26]. При этом соотношения получаются достаточно простые с двумя каналам регулирования: частоты тока ротора (или частоты питающего напряжения при известной частоте вращения двигателя) и модуля потокосцепления. Приемлемые соотношения для последующего синтеза могут быть получены, если частотный преобразователь будет обладать свойствами источника тока. Регулированию подлежат при этом модуль тока статора, его частота и фаза.

Введение

канала регулирования фазы тока ротора как раз и необходимо для регулирования модуля потокосцепления. При этом количество перекрестных связей уменьшается. В системе управления, построенной в осях XY, вращающихся с питающей частотой, доступны измерению текущие значения модуля, угловой частоты и фазы вектора потокосцепления ротора. Проекции потокосцепления на оси, принятые для управления и моделирования, равны:^2х ^maxJ)Ъу = О, I (3.1)где 4² max модуль потокосцепления ротора.

Уравнения, описывающие движение частотного электропривода, имеют вид: dt dVО = *2уК2 — 0}эл)Ъх>М^Ыу-^учЛ (3.2)где ix, hy>l2x>l2y «проекции векторов тока статора и приведенного тока роторана оси моделированияLl2, L, L2>R2 взаимная индуктивность статора и ротора, индуктивности статора и ротора, приведенное активное сопротивление ротораа>оэл соэл — электрические синхронная угловая частота и угловая частота вращения роторар — число пар полюсовМ — момент двигателя.

Исключив из (3.2) токи ротора с использованием соотношенийимеемЧ, 2Х L] 2.

Рис. 3.1. Структурная схема контуров задания составляющих потокосцепленияротора частотного электроприводаУтолщены контуры блоков структуры, которые относятся к двигателю. Блоки, относящиеся к системе управления, не выделяются.

Разрешив систему уравнений (3.7) относительно неизвестных к] и кг, получим:1 TT (ilyV2x-ilxV2y)ТгЫрэЛхЪх — ЧуЪу) — Чу ^2x/dx + hx ^2y/dxТТ^уЪх-ЧхЪу)(3.8)Результаты идентификации параметров электропривода могут быть сведены в систему: о о.

7.7. Выводы по главе.

1. Изготовлен образец ВИП сепаратора. Инвертор выполнен с колебательным контуром сброса излишка электромагнитной энергии из коммутируемой фазы.

2. Синтезирована схема управления на базе контроллера PIC 18F2320 фирмы Microchip при полном использовании его аппаратных и программных ресурсов.

3. Определена рациональная граница между аппаратной и программной частью реализации алгоритма управления. Установлено, что контур регулирования тока не может быть реализован на программном уровне из-за высоких требований к быстродействию работы контроллера и большой расчётной части в задаче управления.

4. Разработано программное обеспечение (ПО) контроллера. Программа занимает 3,2 Кбайта резидентной памяти программ. Распределены по приоритетам этапы решения задачи управления: учёт конфигурации магнитной системы ВИМрасчёт угловой частоты вращения ротора ВИМидентификация нагрузкиучёт насыщения участков магнитной цепи ВИМ и оптимизация средней скорости усталостного старения элемента изоляции обмотки фазы статора.

5. Разработанное ПО содержит программную и табличную компоненты, оптимальное соотношение которых позволяет качественно решить задачу управления ВИМ в реальном масштабе времени.

6. Найдена предельная частота вращения ротора (30 ООО об/мин), для которой разработанное ПО обеспечивает качественное управление.

7. Установлена принципиальная возможность качественной идентификации статической нагрузки, приложенной к валу ВИМ. Погрешность идентификации не превосходит 5%.

8. Подтверждена возможность снижения влияния на надёжность ВИМ фактора усталостного старения элемента изоляции обмотки фазы статора путём введения в алгоритм управления коэффициента формы момента (тока). Оптимальное значение коэффициента формы лежит в пределах Ка=0,4−0,6. Расхождение между теоретическим и экспериментальным результатом не превосходит 10%. Реализацией оптимального алгоритма управления можно достичь более чем 2-кратное снижение скорости усталостного старения элемента изоляции обмотки фазы статора.

9. Результаты, полученные в главе, опубликованы автором в работах [125, 127, 128, 129, 133, 145, 150, 152, 153, 156, 159, 160, 163, 178−182].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенная научно-исследовательская и инженерно-техническая работа позволяет сформулировать следующие основные результаты диссертации.

1. Экономический расчёт показывает рост комплексного показателя качества в 1,5 — 2 раза при использовании регулируемого электропривода с микропроцессорной системой управления в установках сельскохозяйственного назначения.

2. Созданы модели высокой степени интеграции технологических процессов сельскохозяйственного производства, позволяющие разрабатывать привода, оптимизировать их работу, с повышением эффективности технологического процесса (для зерноочистительной машины рост эффективности составляет 10 -20%).

3. Реализованы технические решения, защищённые 7 патентами РФ, по совершенствованию кинематических схем и электроприводов ряда установок (зерноочистительные машины, установки для мойки деталей и узлов машин, сепараторы).

4. Впервые разработана методика учёта усталостных разрушений элементов изоляции обмотки фазы двигателя при анализе надёжности его работы в составе электропривода сельскохозяйственных установок.

5. Разработана структура адаптивного аналитического эйлеровского регулятора для частотного асинхронного ЭП с векторным управление и стабилизацией потокосцепления ротора при минимизации потерь в роторе и максимизации производительности установки.

6. Решена задача идентификации изменяющихся параметров двигателя и параметров статической нагрузки установки сельскохозяйственного назначения, укомплектованной частотным приводом, путём разбиения заданной технологическим процессом траектории движения рабочего органа на интервалы управления.

7. Установлено, что для нерегулируемого ЭП установок сельскохозяйственного назначения, выполненного на базе асинхронного короткозамкнутого двигателя, учёт фактора усталостного старения элемента изоляции может дать выигрыш в сроке службы при поиске оптимальной фазы включения питающего напряжения на 8 — 20% в зависимости от типа нагрузки и мощности двигателя.

8. Показано, что точное знание характеристик статического момента установки и усталостных характеристик изоляции позволяет поднять допустимое число включений двигателя для ряда режимов на 20 — 30%, а при пуске на пониженном напряжении для слабонагруженных асинхронных двигателей выигрыш в средней скорости усталостного старения элемента изоляции достигает 5-ти кратной величины.

9. Решена задача обеспечения максимальной производительности ВИП с использованием при управлении принципа максимума Понтрягина и идентификации нагрузки установки сельскохозяйственного назначения, имеющей недетерминированный характер.

10. Разработана и изготовлена силовая часть ВИП и схема его управления на базе высокопроизводительного контроллера PIC18F2320 фирмы Microchip.

11. Составлено и отлажено программное обеспечение контроллера ВИП с высокоскоростным алгоритмом, обеспечивающим качественное управление для частот вращения ротора, достигающих величины 30 ОООоб/мин, при идентификации нагрузки на каждом интервале управления (полюсном делении) с точностью не менее 5% и учёте насыщение элементов магнитной цепи двигателя.

12. Эксперимент показал эффективность использования методики учёта усталостного старения элемента изоляции фазы при разработке ВИП сельскохозяйственной установки: удалось за счёт выбора оптимального значения коэффициента формы момента (тока) фазы ВИМ (Ка=0,4 — 0,6) уменьшить среднюю скорость усталостного старения в 2 раза.

13. Разработаны высокоинтегрированные модели технологических процессов сельскохозяйственного производства, приводов по системе ПЧАД и ВИП (4 программы для ЭВМ), а также базы данных, автоматизирующие проведение экспериментов и учёт усталостного старения изоляции от циклического воздействия ЭДУ (2 базы данных), позволяющие настраивать и оптимизировать структуру привода установок сельскохозяйственного назначения, которые внесены в государственный реестр баз данных и программ для ЭВМ. 14. Разработанные в диссертации научные положения и технические решения направлены на снижение материалоёмкости установок сельскохозяйственного назначения, разработку и внедрение высокоэкономичных, надёжных регулируемых частотных и вентильно-индукторных электроприводов с микропроцессорным управлением. Их реализация позволит повысить эффективность технологий переработки сельскохозяйственной продукции и снизить прямой и косвенный ущерб, наносимый сельскому хозяйству отказами электротехнического оборудования.