Изучение карьерных экскаваторов и анализ электрических приводов главного движения карьерного экскаватора

(1)

где kn=En/Uy=const; Tn - малая постоянная, учитывающая дискретность, запаздывание и наличие фильтров в системе фазоимпульсного управления.  
Уравнение электрического равновесия для якорной цепи, записанное в операторной форме, в этом режиме аналогично уравнению для системы Г-Д:

(2)

где Rя∑=Rпэкв+Rядв - суммарное сопротивление якорной цепи ТП-Д; Rп.экв=Rк+Rт+Rр+Rвср - эквивалентное сопротивление преобразователя, Rк=mхт/2 - сопротивление, учитывающее снижение выпрямленного напряжения из-за процессов коммутации токов вентилями преобразователя; Rт, XT – приведенные ко вторичной цепи активное и индуктивное сопротивления рассеяния фазы трансформатора; m - число фаз выпрямления; R - сопротивление обмотки сглаживающего реактора Р; RK-усредненное сопротивление п вентилей, по которым протекает ток Iном.  
С помощью (2) при Ф=Фном получим уравнение механической характеристики:

(3)

где

Следовательно, в режиме непрерывного тока механические характеристики электропривода в системе ТП-Д  при принятых допущениях аналогичны системе Г-Д. Статические характеристики, соответствующие (3) при р=0, показаны на рис. 7,в.  
Реальные статические механические характеристики могут отличаться от представленных на рис. 7,в. Если в системе используется реверсивный тиристорный преобразователь с совместным согласованным управлением комплектами вентилей, характеристики могут несколько отличаться в зоне перехода от двигательного режима к режиму рекуперации вследствие неточности согласования характеристик управления комплектами вентилей (при Uy=0, α>90 °).  
При раздельном управлении комплектами вентилей в области малых нагрузок ток становится прерывистым, и это существенно меняет характеристики. При U=0 и α=90 ° среднее значение Eп становится не равным нулю и увеличивается по мере уменьшения интервала проводимости. Для Iя=0 зависимость Eп=f(Uу) при p=0 приобретает вид кривых 2 и 3. В зоне прерывистых токов искажаются и механические характеристики, как показано на рис. 7,в для естественной характеристики 1 штриховыми линиями 2 и 3.  
Наиболее существенные особенности в систему ТП-Д вносит использование нереверсивного тиристорного преобразователя. При этом система является неполноуправляемой, ток якоря может протекать только в одном направлении. Соответственно механические характеристики во втором и третьем квадрантах не существуют.  
Структурные схемы системы ТП-Д, соответствующие этим уравнениям и уравнению движения электропривода при жестких механических связях, представлены на рис.8,а и б. При составлении схемы на рис.8,б уравнение (3) представлено в виде

где

Система ТП-Д отличается весьма высоким быстродействием  преобразователя. Постоянная времени Тп при полупроводниковой СИФУ не превосходит 0,01 с. Соответственно возможности создания быстродействующих электроприводов при переходе к системе ТП-Д существенно расширяются.  
Оценим экономичность системы ТП-Д в сравнении с системой Г-Д. При использовании нереверсивного преобразователя установленная мощность системы ТП-Д составляет 2Рдв, т.е. меньше, чем для системы Г-Д. Однако при этом система ТП-Д имеет ограниченные технические возможности. В сравнимом варианте использования реверсивного преобразователя установленные мощности систем ТП-Д и Г-Д примерно одинаковы. Однако преимущества статического преобразователя перед вращающимся при этом говорят в пользу системы ТП-Д.  
Важным достоинством системы ТП-Д является ее высокий КПД. Потери энергии в тиристорах при протекании номинального тока составляют 1-2% номинальной мощности привода. Поэтому даже с учетом потерь в реакторе и трансформаторе КПД преобразователя при мощности, составляющей десятки киловатт, достаточно высок.  
Недостатками тиристорного преобразователя являются изменяющийся в широких пределах cos ф, равный примерно cos α, и значительные искажения формы потребляемого из сети тока. Для повышения коэффициента мощности применяют регулируемые фильтрокомпенсирующие устройства.

Рис. 8. Структурные схемы системы ТП-Д

Однако введение этих устройств  ухудшает в 1,5-2 раза массогабаритные  показатели системы ТП-Д и увеличивает  ее стоимость.

Для улучшения плавности  хода и точности позиционирования возможна установка приводов с двигателями переменного тока. Они могут быть с асинхронными двигателями с фазным ротором или с короткозамкнутым ротором. Наиболее широкое применение находит система преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД), которая имеет следующие преимущества:

а) Система ПЧ-АД позволяет  производить плавный пуск электропривода, что позволяет избежать механических колебаний в кинематической цепи, повышает ее надежность и срок службы.

б) Система ПЧ-АД позволяет  плавно регулировать скорость вращения во всем диапазоне, чего не позволяет  осуществлять реостатное регулирование  и регулирование переключением  пар полюсов.

в) Система ПЧ-АД позволяет  регулировать количество потребляемой мощности, что делает систему ПЧ-АД экономичной.

4. Электроприводы  главного движения экскаватора

Регулирование скорости каждым двигателем осуществляется путем изменения  напряжения на каждом якоре двигателя  в отдельности при помощи транзисторного широтно-импульсного преобразователя. Магнитный поток двигателей поддерживается постоянным с помощью тиристорных регуляторов тока.

Чтобы получить регулируемое напряжение на якоре двигателя из сетевого в комплекте используется двойное преобразование энергии.

Пять мостовых трехфазных транзисторных преобразователей (активных выпрямителей) осуществляют выпрямление  и стабилизацию напряжения в локальной  сети постоянного тока. Выпрямленное напряжение за счет обратной связи  поддерживается постоянным на уровне 500В.

Другие 5 преобразователей -  мостовые однофазные транзисторные преобразователи, при помощи широтно-импульсной модуляции преобразуют постоянное выпрямленное напряжение в постоянное регулируемое  напряжение на якорных обмотках  двигателей. Регулирование выходного напряжения осуществляется с помощью обратных связей по току в якоре и напряжению на якоре. При этом предусмотрено ограничение тока якорной обмотки.

Микроконтроллерная система управления мостовым транзисторным преобразователем напряжения построена по принципу подчиненного регулирования с последовательной коррекцией.  Первый, внутренний подчиненный  контур регулирования тока якоря,  содержит  пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор,  второй контур регулирования  напряжения якоря содержит  пропорциональный (П) регулятор.

 Функциональная типовая  схема привода показана на  рис. 4. Внутренний подчиненный контур  выполняет регулирование тока  якорной обмотки двигателя. Система  управления обеспечивает формирование  типовой экскаваторной характеристики  привода с помощью блока ограничения  тока (ОТ). С целью улучшения динамических характеристик привода использован задатчик интенсивности (ЗИ). Для исключения самохода во время стоянки экскаватора при нулевом положении джойстика вводится обратная связь по ЭДС (ключ K1). Наличие управляющих импульсов на транзисторах зависит от внешнего сигнала, разрешающего работу привода, максимально-токовой защиты (МТЗ), защиты от высокого напряжения (ЗМН) и защиты от утечки тока в якорной цепи. Обработка информации в системах управления приводами осуществляется с помощью микроконтроллеров.

 

 

Коэффициенты регуляторов, постоянные времени задатчика интенсивности и фильтров обратных связей, указанные на функциональной схеме, можно настраивать с помощью блока настройки параметров (БНП).

Задание для регулятора напряжения формируется с помощью джойстика  на пульте управления, аналоговые сигналы  от которого преобразуются в цифровые посылки (UART RS232), принимаемые блоком управления транзисторным преобразователем.

Сигнал обратной связи по ЭДС  вычисляется как разность между  напряжением якоря и произведением  тока на сопротивление якорной обмотки.

На выходе пропорционального регулятора напряжения предусмотрен блок ограничения  тока якоря, который формирует экскаваторную  характеристику электропривода. Блок (ОТ) может формировать экскаваторную характеристику двух типов, как это показано на функциональной схеме.

Если в БНП задать параметр потребляемой мощности (Р) равной нулю, то характеристика будет сформирована по двум точкам. Первая - точка перегиба характеристики Ia1. Вторая - точка стопорного тока Ia2. Таким образом, получается классическая, симметричная по обеим осям, экскаваторная механическая характеристика.

Если в БНП задать параметр потребляемой мощности (Р) отличный от нуля, то характеристика будет сформирована с учетом постоянства  мощности (Р). Точка Ia1, при этом, будет точкой ограничения тока в генераторном (тормозном) режиме. Точка Ia2, будет точкой ограничения тока в двигательном режиме. Мощность будет ограничиваться на уровне заданной в БНП (параметр Р - мощность).

Если привод работает в генераторном режиме, то при резких переходных процессах  энергия частично рассеивается в  тормозных резисторах при напряжении на конденсаторах больше 620В, а большая  часть энергии возвращается в  сеть активными выпрямителями.

В блоке управления преобразователем организованы следующие защиты, действующие  на отключение сигнала широтно-импульсной модуляции:

- максимальная токовая  защита, срабатывает в течение  200мкс  при токе около 3000А  для привода подъема и 2070А  для остальных приводов;

- временная токовая защита, срабатывает в течение 15с при  заданном стопорном токе;

- защиты от утечки тока  в якорной цепи, срабатывает при  токе утечки 110А в течение 200мс;

- защиты от перегрева  транзисторов, срабатывает при нагреве  радиатора до 75С;

- защита от высокого  напряжения, срабатывает в течении 200мкс при напряжении на конденсаторе звена постоянного тока выше 750В ;

- защиты от низкого  напряжения, срабатывает в течение  200мкс, при напряжении на конденсаторе  звена постоянного тока ниже 200В,  при этом работоспособность привода  восстанавливается (включаются управляющие  сигналы для транзисторов) при  достижении  напряжением значения 400В;

Одновременно со снятием  управляющих импульсов, в блоке  управления преобразователем отключается  реле К1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Выводы

В данной работе были рассмотрены  типы электропривода, используемые в настоящее время в различных типах экскаваторов. В настоящее время наиболее широкое применение нашли системы генератор-двигатель (Г-Д) и тиристорный преобразователь-двигатель (ТП-Д), однако, они уже морально устаревают, и поэтому в данной работе предусматривается их замена на двигатели переменного тока. При анализе приводов переменного тока был сделан вывод, что наиболее подходит для выполнения поставленной задачи привод преобразователь частоты-асинхронный двигатель.

Предполагаемая тема бакалаврской работы: «Модернизация электрического привода главного движения карьерного экскаватора»