ПЭВ1-ПЭВ2 – электродвигатель, преобразует электрическую энергию в механическую (вращательное движение

ОЧИСТНОЙ КОМБАЙН КАК МЕХАТРОННЫЙ ОБЪЕКТ

Для горно-шахтного машиностроения одним из наиболее ярких представителей мехатронных объектов является очистной комбайн с электрическим приводом подачи на базе частотно-регулируемого привода.

На рисунке 1 приведена упрощенная структурная модель (S-модель) очистного комбайна предыдущего поколения (типа РКУ) с гидравлической системой подачи и очистного комбайна нового поколения (типа КДК500) с частотно-регулируемой системой подачи, являющегося мехатронным агрегатом. На рисунке приняты следующие обозначения (согласно предложенной в [2] терминологии):

УМ₁ – управляющий модуль, осуществляет управление;

КМ₁-КМ₃ – коммутационный модуль, осуществляет преобразование сигналов;

ПЭЭ₁-ПЭЭ₂ – пускатель, осуществляет подачу электроэнергии по сигналу управления;

ПЭЭ₃ – преобразователь частоты с автономным инвертором, осуществляет преобразование напряжения сети в напряжение с переменными уровнем и частотой в соответствии c управляющим кодом;

ПЭВ₁-ПЭВ₂ – электродвигатель, преобразует электрическую энергию в механическую (вращательное движение);

ПВВ₁-ПВВ₃ – редуктор, передает механическую энергию;

ПВГ₁ – гидронасос, преобразует механическую энергию в гидравлическую;

ПГВ₁ – гидромотор, преобразует гидравлическую энергии в механическую (вращательное движение);

ПГП₁ – гидродомкрат, преобразует гидравличесую энергию в механическую (поступательное движение);

ПВП₁ – цевочное зацепление, преобразует вращательное движение в поступательное;

ПВВ₂₂ – исполнительный орган (шнекового типа).

Комбайны предыдущего поколения имели различные системы автоматизации (минимальный вариант), в частности, комбайны типа РКУ оснащались комплексом устройств автоматизации КУАК, функционально достаточно сложным и базирующимся на микропроцессорной технике, достаточно мощной для своего времени. То есть комбайн имел и электронные, и информационные компоненты, но они решали задачи автоматизации, оператор мог управлять комбайном и без них, что фактически и происходило. Доля электронной компоненты в структуре управления движением для этих комбайнов составляет 11%, доля силовых компонент (электро- гидропривод) – 44,5%, доля механических компонент – 44,5%.

Комбайны нового поколения могут взаимодействовать с оператором только посредством управляющего модуля (системы управления), который, получая команды от оператора, преобразует их в управляющий код, представляющий собой общую шину передачи данных. Необходимость в этом определяется в первую очередь особенностями работы преобразователя частоты с автономным инвертором, который для управления скоростью вращения приводного двигателя посредством широтно-импульсной модуляции осуществляет переключение силовых ключей с частотой 2500 Гц, контролируя при этом порядка 30 внутренних параметров. Именно поэтому невозможно обеспечить работу комбайна без информационных и электронных компонент, что и делает такой комбайн мехатронным. Доля электронной компоненты в структуре управления движением такого комбайна составляет 35%, информационной компоненты – 6%, силовой и механической – по 29,5%.

Таким образом, мехатронность комбайна обеспечивает его работоспособность, управляет его движениями, в то время как автоматизация необходима для улучшения условий труда оператора, сокращения выполняемых им функций управления и контроля. Фактически, использование принципов мехатроники позволяет создать машину со сложной структурой, которой оператор (или система автоматизации) может управлять, контролируя только ее выходные функции (а не внутреннее состояние).

То есть, «мехатронный комбайн» не означает «автоматизированный комбайн». Имеющиеся в структуре мехатронного комбайна информационно-электронные компоненты с высокой вычислительной мощностью, помимо задач управления движением, могут и должны решать задачи диагностики и автоматизации управления. Передача части или всех функций автоматизации мехатронному объекту требует пересмотра традиционных задач автоматизации горных машин.

Возрастание сложности проектируемых машин, определяется не только повышением функционально-параметрических характеристик, но и необходимостью обеспечивать надежность машины как сложной системы. То есть сложность, определяемая требованиями работоспособности, приводит к еще большей сложности, вызванной необходимостью поддержания работоспособности в течение заданного времени. Расширение диагностики, увеличение числа контролируемых параметров, усложнение алгоритмов обработки полученной информации приводит к еще большему повышению доли информационных и электронных компонент в структуре очистного комбайна.

На рисунках 2… показаны очистные комбайны КДК500, УКД300, УКД200-250, разрабатываемые в настоящее время на основе мехатронных подходов в проектировании. Как видно, современный очистной комбайн содержит около 30 электронно-информационных элементов, объединенных в единую информационную сеть друг с другом, а также с другими механизмами очистного забоя.

	Рисунок 1 – Структурные схемы очистных комбайнов предыдущего и нового поколения
	Рисунок 2 – мехатронный агрегат - очистной комбайн КДК500

 

Рисунок 3 – Мехатронный агрегат – комбайн УКД300

 

 

 

Рассмотрим функциональные схемы и принцип действия привода подачи очистных комбайнов как одной из подсистем, определяющих мехатронность очистного комбайна.

 

 

 

Назначение основных функциональных модулей:

ФС – фильтр сетевой

В – выпрямитель

ЗПТ – звено постоянного тока

Инв. – инвертор

МФ – моторный фильтр

Ик – информационная компонента.

 

Схемные и конструктивные решения основных мехатронных узлов

 

1. Фильтр сетевой

 

 

 

2. Выпрямитель

 

Форма входного напряжения Форма выходного напряжения

 

3. Звено постоянного тока

 

 

4. Инвертор

 

 

 

Основные режимы работы и законы регулирования частотно-регулируемого привода подачи очистного комбайна.

1. Тяговый.

2. Тормозной режим.

Выходное напряжение U - инвертора (импульсный инвертор)

 

Изменение напряжения фазы при изменении скважности

Применение инверторов с широтно-импульсной модуляцией напряжения позволяет достигать КПД преобразователя частоты более 95%, что было бы невозможно…