VIŠEMOTORNI REGULISANI POGON NA TRANSPORTU ROTORNOG BAGERA SRs2000

Saša Štatkić, Fakultet tehničkih nauka Kosovska Mitrovica

Neša Rašić, Elektrotehnički fakultet Beograd

Sadržaj – Pogon transporta rotornog bagera SRs2000 je višemotorni pogon koji čine šest motora. Osnovni zahtevi postavljeni pred ovaj pogon su kretanje konstantnom srednjom brzinom i ravnomerna raspodela opterećenja. Na složenost ovog pogona utiču način prenosa momenta na podlogu i priroda opterećenja. U sistemu prenosa momenta javljaju se veliki zazori. Opterećenje pogona transporta menja se zbog karakteristika podloge i terena na nepredvidiv način. Pored toga pojedini pogoni su međusobno posredstvom podloge spregnuti u kvazikrutu mehaničku spregu. Osnovni zahtevi za ovaj pogon ostvareni su upravljačkim sistemom.

1. UVOD

Strukture upravljačkih sistema regulisanih višemotornih pogona zavise od tipa sprezanja pojedinačnih pogona, vrste motora, vrste jedinice za napajanje motora, i načina regulisanja brzine i momenta motora.

Pojedinačni pogoni koji čine višemotorni pogon međusobno su spregnuti posredstvom tehnološkog procesa u kome učestvuju. U pogledu mehaničkog sprezanja pojedinačnih pogona razlikuju se mehanički nespregnuti pogoni, pogoni u elastićnoj, plastičnoj, krutoj i kvazikrutoj sprezi[1].

Zbog složenosti višemotornih regulisanih pogona njihove regulacione strukture sastoje se iz nadređenog regulatora procesa i više podređenih regulatora.

Konfiguracija pojedinačnog pogona koja se danas najčešće susreće u praksi je trofazni kratkospojeni asinhroni motor napajan iz frekvetnog pretvarača.

Svetski proizvođači nude ovakve pogone visokih performansi sa pretvaračima u koje su implementirani algoritmi direktne kontrole momenta.

2. OPIS POGONA

Na bageru SRs2000 na kopu Drmno je u toku rekonstrukcije 2004. ugrađen višemotorni pogon transporta sa regulacijom brzine pomoću frekventnih pretvarača. Osnovni podatci ovog pogona su: BROJ POGONA: 6 MOTORI: SEVER Subotica, 1.ZKI 315 Mk-6, 50Hz, 110KW, 987o/min, 195A, 400V PRETVARAČI: Proizvođač ABB Oznaka kompletnog pretvarača je: ACS800 - 01 – 120 - 3 – D150 +L502+L503+K454

Sl.1. Bager SRs2000 - pogon transporta

Na sl.1 prikazan je uvećan detalj pogona transporta bagera SRs2000 koga čine šest asinhronih motora i šest frekventnih pretvarača sa nezavisnim ispravljačkim i invertorskim jedinicama.

Sl.2. Raspored gusenica bagera SRs2000

Na sl. 2 prikazan je šematski položaj gusenica 1 i 2 sa fotografije na sl.1.

Ovde je zbog uklapanja u sistem, i unifikacije opreme realizovano rešenje sa nezavisnim jednosmernim kolima, čoperima i otpornicima za kočenje. Iskorišćeni su stari ormani za montažu frekventnih pretavarača.

1 2

21

Zbornik radova 50. Konferencije za ETRAN, Beograd, 6-8. juna 2006, tom I Proc. 50th ETRAN Conference, Belgrade, June 6-8, 2006, Vol. I

368

Sl.3. Pretvarči- pogonu transporta bagera SRs2000.

Na sl.3 prikazan je razmeštaj frekventnih pretvarača u ormanima u donjoj elektro sali na bageru SRs2000. Otpornici za kočenje nisu prikazani na sl.3.

Na sl.4 prikazan je uprošćeni funkcionalni blok dijagram upravljanja jednim frekventnim pretvaračem.

Sl.4. Uprošćeni funkcionalni blok jednog frekventnog pretvarača ACS800

Refertna brzina za svaki pretvarač generiše se u nadređenom sistemu upravljanja koji je realizovan u PLC- u. Rukovaoc zadaje izbornim prekidačem brzinu koja se dalje preko bloka za soft start prosleđuje svakom pretvaraču. U pretvaračima je uključena prozorska kontrola brzine koja blokira interni regulator brzine i dovodi direktno eksternu referencu momenta u DTC model. Gornji i donji limit prozorske funkcije određuju vrednost greške brzine do koje će interni regulator brzine biti blokiran. Dok se greška brzine nalazi u okviru zadatog opsega referenca momenta dovodi se iz nadređenog regulatora momenta (Reg.1 na sl.5).

Vrednost gornjeg i donjeg opsega prozorske funkcije svakog pretvarača pojedinačno je određena u zavisnosti od apsolutne vrednosti srednje brzine (slika 5). Srednja brzina svih motora predstavlja brzinu transporta bagera.

Ukoliko je greška brzine nekog pretvarača veća od opsega prozorske funkcije onda se uključuje interni regulator brzine koji generiše interni referentni momenat. Na takvom pretvaraču dovodi se zbirni referentni momenat u DTC model.

U cilju regulisanja brzine transporta bagera zadata brzina transporta bagera poredi se sa srednjom brzinom i ova greška dovodi se u nadređeni PID regulator momenta koji generiše refencu momenta za svaki pretvarač pojedinačno. Pozitivna greška brzine transporta povećava referentni momenat na svim pretvaračima čime se povećava brzina svakog pogona i smanjuje greška brzine. Negativna greška brzine transporta smanjuje referentni momenat na svim pretvaračima čime se smanjuje brzina svakog pogona i smanjuje greška brzine.

Sl.5. Funkcionalni blok regulatora

transporta bagera SRs2000.

U upravljačkom sistemu realizovani PID regulator referentnog mometa ima mogućnost promene limitima po znaku i vrednosti. Vrednosti ovih limita referentnog momenta zavise od odstupanja trenutno generisane reference momenta prema srednjoj vrednosti momenata.

Nadređeni upravljački sistem je realzovan softverski u PLC – u tipa AC800 firme ABB. Profibas komunikacijski protokol je korišćen za povezivanje frekventnih pretvarača sa PLC – om i ostalim delom sistema upravljanja na bageru SRs2000. Prethodno je izvršena parametrizacija svih frekventnih pretvarača u saglasnosti sa zahtevima njihovog upravljanja i rada u mreži.

3. REZULTATI

Predloženi algoritam upravljanja je praktično proveren na pogonu transporta bagera SRs2000. Rezultati obuhvataju snimljene karakteristične veličine pri startovanju, kretanju i zaustavljanju pogona transporta.

Na slici 6. prikazan je snimak vožnje transporta glavne mašine bagera SRs2000. Najpre se izdaje komanda za uključenje pretvarača pri čemu se vrši uspostavljanje potrebnog momenta u motorima pre kretanja i brzina svih šest motora je nula.

Fluxref

ωref

Frekv. Pretvarač

merefB

ωref

ω1 merefB

W_POS

W_NEG

mei ωi

meref1 Profibas mreža

meref DTC mei

ωi

Optimizacija DC Magnetizacija

PID

Reg.1

LIM

Komparator

Soft start

+

-mesr

me

merefB

Aver. ωei

+-

PLC

ωref

Frekv. Pretvarač

Frekv. Pretvarač

U1

U6

::::

Profibas mreža

Aver. mei

me1

me6

ω1

ω6

: :

: :

ωref

ABSW_POS

W_NEG

6x

6x

369

Vreme [s]55 60 65 70 75 80 85

0

100

200

300

400

Ref. brzina [o/min]Ref. momenat [%]x10Srednja brzina [o/min]Momenat me1 [%]x10Momenat me2 [%]x10Momenat me3 [%]x10

Sl.6. Start transporta bagera SRs2000,

referntna brzina 300 o/mi .

Nakon završetka magnećenja motora nadređeni regulacioni sistem zadaje referentnu brzinu po definisanoj rampi za sve motore istovremeno. Na slici 6. prikazana je srednja vrednost brzine svih šest motora. Srednja brzina stalno osciluje oko zadate. Srednja brzina pogona transporta dobijena je kao aritmetička sredina šest pojedinačnih brzina. Na slici 7. snimljene su brzine istih motora kao na slici 6 pri transportu sa zadatom brzinom 800 o/min. Prikazane brzine svih pojedinačnih pogona izmerene su pomoću inkrementalnih enkodera.

Posledica oscilovanja brzina pogona, i srednje brzine, je priroda mehanizma prenosa obrtnog momenta sa reduktora na translatorno kretanje gusenice. Ovaj mehanički prenos se vrši preko tzv. "pogonske zvezde" na čijem se obodu nalaze zupci pomoću kojih se vrši sprezanje dve susedne metalne ploče gusenice. Broj zubaca i korak ozubljena su poznati i oni dominantno utiču na učestanost oscilacija brzine. U toku kretanja uvek jedan zubac počinje sprezanje dve susedne ploče, dok drugi počinje rasprezanje dve njemu susedne ploče. Trenutci početka sprezanja i rasprezanja na pojedinim gusenicama nikada nisu isti, i zavise od mnogih faktora kao što su: brzina transporta, vrsta podloge, nagib podloge, način kretanja transporta (kretanje po krivoj liniji), položaj katarke radnog točka, od kvaliteta podmazivanja površina, zategnutosti ili opuštenosti gusenica i dr.

Iz izloženog se jasno zaključuje da moment opterećenja na "pogonskoj zvezdi" ima komponente koje su slučajne prirode i ne mogu se tačno odrediti.

Oscilovanje opterećenja jednog motora je signal koji je superpozicija prostoperiodičnog signala čija ušestanost zavisi od koraka "pogonske zvezde" i "slučajnog" signala.

Vreme [s]250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 3500

200

400

600

800

1000

Ref. brzina [o/min]Ref. momenat [%]x10Srednja brzina [o/min]Brzina n1 [o/min]Brzina n2 [o/min]Brzina n3 [o/min]

Sl.7. Start transporta bagera SRs2000,.

referntna brzina 800 o/min.

Oscilovanje opterećenja ima za posledicu oscilovanje brzine jednog pogona. Dok je posmatrana srednja brzina kretanja transporta aritmetička sredina šest takvih složenoperiodičnih signala. S toga je i sama slošenoperiodična veličina.

Na slici 8. prikazan je snimak transporta sa zadatom brzinom 300 o/min pri prelasku dužeg puta. Na snimku je prikazano zaustavljanje i kvazistacionarno stanje koje je prethodilo zaustavljanju. Snimljene brzine pogona 1, 2 i 3 približno osciluju oko zadate referentne brzine. Na slici 8 prikazana je struja motora 1 u amperima. Promene struje prate promenu opterećenja motora

Vreme [s]400 420 440 460 480 500 520 540 560 5800

50

100

150

200

250

300

350

400

Brzina motora1 n1 [o/min]Brzina motora3 n3 [o/min]Ref. moment A [%]x5Brzina motora2 n2 [o/min]Struja motora1 ia1 [A]

Sl.8. Ttranspot i zaustavljanje bagera SRs2000.

370

Vreme [s]10 15 20 25 30 35 40 45

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Brzina motora1 n1 [o/min]Brzina motora3 n3 [o/min]Ref. moment A [%]x5Brzina motora2 n2 [o/min]Struja motora1 ia1 [A]

Sl.9. Start, kretanje i zaustavljanje

transporta bagera SRs2000

Vreme [s]10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Brzina motora1 n1 [o/min]Brzina motora3 n3 [o/min]Ref. moment A [%]x5Brzina motora2 n2 [o/min]Struja motora1 ia1 [A]

Sl.10. Dva uzastopna ciklusa transporta bagera SRs2000

Na slici 9 prikazan je snimak startovanja, kratke vožnje i zaustavljanja pogona transporta bagera SRs2000. Zahvaljujući performansama primenjenih frekvetnih pretvarača najpre se vrši magnećenje motora i uspostavljanje potrebnog elektromagnetnog momenta pri nultoj brzini. Zatim brzina počinje da raste po zadatoj rampi. Nakon završetka zaleta brzine pojedinih pogona osciluju zbog prirode promenljivog opterećenja. Zaustavljanje se vrši takođe po istoj rampi. Nakon dostizanja nulte brzine, kad pogon stane, frekvetni pretvarači određeno vreme razvijaju elektromagnetni momenat koji blokira pogon transporta i

pre padanja mehaničke kočnice. Postojanje referentnog momenta i struje motora nakon što je brzina pala na nulu jasno verifikuju prethodnu tvrdnju.

Na slici 10 prikazana su dva uzastopna ciklusa startovanja, kretanja i zaustavljanja pogona transporta bagera SRs2000. Iako su iste zadate vrednosti brzine u oba ciklusa talasni oblici brzina i struja motora 1 nisu isti. Ovakav odziv brzina pojedinih pogona transporta bagera potvrđuje složenu prirodu opterećenja na gusenicama transporta rudarskih mašina. Regulisanje srednje brzine trasnporta uz ravnomernu raspodelu opterećenja ostvareno

4. ZAKLJUČAK

Primenjena konfiguracija pojedinačnih pogona u okviru pogona transporta bagera SRs2000 sa frekvetnim pretvaračima nove generacije[2] omogućuje direktnu kontrolu momenta[3] (DTC) asinhronog motora. To omogućava brzo praćenje momenta opterećenja na gusenicama i generisanje nove referentne vrednosti momenta koja će smanjiti razliku srednje i zadate brzine, pri tome istovremeno vršiti preraspodelu opterećenja. Na ovaj način postiže se da jedan složeni višemotorni pogon, kao što je transport bagera, ima ujednačenu srednju brzinu sa malim odstupanjem u odnosu na zadatu brzinu, i ravnomernu raspodelu opterećenja između motora. Ovo su značajne prednosti primenjenog regulacionog sistema u pogledu produženja veka mehaničkih sklopova koji čine ovaj pogon.

5. LITERATURA

[1] B. Jeftenić , M. Bebić , D. Jevtić, "Raspodela opterećenja kod pogona u mehaničkoj sprezi", Ee 2001, Novi Sad, Nov. 2001.

[2] ABB Industry Dives, "Direct Torque Control", Technical Guide No1, EN 30.6.1999, 3BFE 58056685 R0125 REV B.

[3] Antoni Arias Pujol, "Improvments in direct torque control of induction motors", Iniveritat Politècnica de Catalunya, 2000.

Abstract: Travel drive of bucket wheel excavator SRs2000 is multi-motor drive consisting six motors. Basic demands setting for this drive is motion with constant average speed and uniform load distribution. Influence on complexity of this drive is way of torque transmission to the ground and character of load. In the system of torque transmission significant gaps existed. Load of travel drive changes during motion in an unpredictable way because of characteristic ground and terrain. Except this, the single drives are cross coupled through terrain, making the quasi-stiff mechanical coupling. The basic requirements for this multi-drive are provided by the control system.

CONTROLLED MULTI-MOTOR TRAVEL DRIVE ON BUCKET WHEEL EXCAVATOR SRs2000

Saša Štatkić, Neša Rašić

371