Современное состояние и тенденции развития электроприводов горных машин для открытых разработок

Технология производства открытых разработок полезных ископаемых опирается на ряд горных машин, главные рабочие механизмы которых оснащены регулируемым электроприводом. Основные функции этих машин разрушение и перемещение горной породы

Для открытых разработок традиционно используют одноковшовые экскаваторы (механические лопаты и драглайны), роторные экскаваторы (вскрышные и добычные), буровые станки (как правило, шарошечного типа предназначенные для взрывных работ).

Главные рабочие механизмы экскаваторов различных типов классифицируют по типу выполняемых движений: для механической лопаты - подъем, напор, поворот, гусеничный ход; для драглайна -подъем, тяга, поворот, шагающий ход; для роторного экскаватора -вращение роторного колеса, поворот стрелы, поворот разгрузочной консоли, разворот экскаватора, подъем стрелы, ход гусеничный или рельсово-шагающий, движение конвейеров стрелы и разгрузочной консоли; для станка шарошечного бурения - вращение, подача, гусеничный ход.

Кроме того, главные механизмы могут быть сгруппированы по следующим типам: лебедочные (подъем, напор, тяга для одноковшовых экскаваторов, подъем стрелы, ход для роторного экскаватора, подача для бурового станка); опорно-поворотные (все механизмы поворота); ходовые гусеничные; ходовые шагающие; вращения бурового става; конвейеры.

Требования, предъявляемые к статическим и динамическим характеристикам электроприводов главных механизмов, обусловлены спецификой технологического процесса, особенностями конструкции механизма, способом управления механизма, а также условиями эксплуатации и электроснабжения. Специфика заключается в следующем.

Для лебедочных механизмов одноковшовых экскаваторов (копающих механизмов):

- циклический характер работы в напряженном повторно-кратковременном режиме с частыми пусками, реверсами и торможениями;

- наличие режимов опускания порожнего ковша, которое целесообразно выполнять на повышенной скорости;

- механизмы являются многомассовыми с упругими кинематическими связями (канаты обладают наименьшей жесткостью); управляющие или возмущающие воздействия вызывают слабо затухающие колебания упруго связанных масс;

- широкий диапазон изменения и существенная несимметрия статических нагрузок относительно направления движения, обусловленные активным моментом нагрузки от веса ковша, взаимовлиянием приводов и случайным характером нагружения при копании;

- наличие в цикле экскавации сравнительно продолжительных этапов «удержания» ковша, в течение которых привод должен работать со скоростью, близкой к нулю, развивая на валу значительный момент;

- систематическое стопорение механизмов подъема и напора (механическая лопата), тяги (драглайн), которые в процессе копания носят случайный характер и которыми завершается черпание практически в каждом цикле;

- механизмы управляются оператором, который анализирует изменяющуюся в рабочей зоне ситуацию и подает задающие команды об изменении скорости механизма, что в значительной степени снижает требования к точности поддержания скорости и диапазону ее регулирования, который не превышает (4...6):1.

Для лебедочных механизмов роторных экскаваторов и буровых станков (в сравнении с аналогичными механизмами одноковшовых экскаваторов):

- механизмы не являются копающими и не требуют высокой динамики при изменении скорости;

- механизмы подъема стрелы и шагающе-рельсового хода роторного экскаватора являются установочными; погрешность позиционирования не более ±30 мм; диапазон регулирования скорости не менее(10...12):1;

- для механизма стрелы ротора момент нагрузки активный; в процессе резания на механизм накладываются тормоза; длительных удержаний груза нет;

- для механизма шагающе-рельсового хода момент нагрузки изменяется в широких пределах от реактивного до активного в зависимости от уклона установки экскаватора и ветровой нагрузки;

- режим работы шагающе-рельсового хода при протяженных перемещениях машины повторно-кратковременный с ПВ = 25...40 %, а для механизма подъема стрелы - кратковременный;

- механизмы подъема и шагающе-рельсового хода управляют значительными массами с упругими кинематическими связями;

- особенность кинематических схем подъемных и ходовых лебедок состоит в параллельной работе двух лебедок на общую нагрузку; при этом должно обеспечиваться как совместное, так и раздельное управление лебедками (последнее необходимо для выравнивания механизмов или смены канатов);

- при работе подъемных и ходовых механизмов возможен упор неподвижного ротора на забой;

- механизм подачи бурового станка в процессе бурения работает на упор, т.е. задает усилие; при этом требуемый диапазон регулирования скорости должен быть не менее (150...200)'.1 в связи с изменяющейся в широких пределах прочностью породы и существенно различной нагрузкой, а так же необходимой линейной скоростью при перемещении бурового става вниз (рабочий режим бурения) и при подъеме бурового става (вспомогательный режим).

Для опорно-поворотных механизмов одноковшовых экскаваторов:

- циклический характер работы в повторно-кратковременном режиме с пусками, реверсами и торможениями; механизм управляется оператором, принцип управления командный, достаточный диапазон регулирования скорости (3...4):1;

- реактивный характер момента статического сопротивления, обусловленного трением в механизме, при относительно небольшом его значении (20 % стопорного момента);

- наличие активной составляющей момента сопротивления, достигающей при допустимых кренах экскаватора или ветровой нагрузке 20 % стопорного момента;

- наличие упруго связанных с платформой инерционных масс; переходные процессы сопровождаются низкочастотными слабо-демпфированными механическими колебаниями;

- значительный приведенный к валу двигателя момент инерции вращающихся частей экскаватора, в 5-10 (иногда более) раз превышающий суммарный момент инерции двигателей; механизм работает преимущественно в переходных режимах, причем поворотные движения в цикле экскавации занимают 50-80 % времени;

- существенные изменения суммарного момента инерции (в 1,25-2 раза) в зависимости от загрузки ковша и его радиуса инерции относительно оси вращения платформы;

- большое передаточное отношение механизма (300-600) и, следовательно, значительный приведенный к валу зазор зубчатых передач, который нормально составляет по углу поворота вала двигателя 1-2 рад, а при изношенных передачах достигает 1-1,5 оборота. Зазор, с одной стороны, затрудняет наведение рабочего органа экскаватора, с другой, обусловливает дополнительные динамические нагрузки в передаточных механизмах, сопровождающиеся ударами при завершении выбора зазоров, а упругость кинематических связей приводит к механическим колебаниям при амплитуде момента, в 2 раза превышающей среднее значение.

Для опорно-поворотных механизмов роторных экскаваторов (в сравнении с аналогичными механизмами одноковшовых экскаваторов):

- механизмы разворота экскаватора и поворота разгрузочной консоли являются установочными, не требуют высокой динамики при изменении скорости, предназначены для работы в кратковременных режимах;

- механизм поворота стрелы выполняет главное рабочее движение, обеспечивающее резание породы, продольную подачу; момент нагрузки привода в процессе резания обусловлен разрушением породы и его колебания могут вызвать технологические перегрузки и стопорения; от точности отработки электроприводом заданной скорости при изменениях нагрузки зависит производительность экскаватора; имеется взаимосвязь нагрузок привода с нагрузками электропривода роторного колеса; режим работы привода продолжительный.

Для механизмов гусеничного хода горных машин:

- режим работы повторно-кратковременный; моменты сопротивления изменяются в широких пределах от реактивного, превышающего номинальный момент двигателя, до активного, достигающего 30 % номинального момента двигателя при движении под уклон;

- динамические нагрузки на конструкции горных машин при их перемещении должны быть ограничены по условиям их прочности; возможны наезды гусениц машин на препятствия и, как следствие, механические стопорения;

- для обеспечения маневренности машин, точности их установки требуется регулирование скорости, как правого и левого механизмов гусениц одновременно, так и каждого из них в отдельности;

- в связи с уменьшенной нагрузкой на привод (уменьшенной мощностью) машина может двигаться под уклон со скоростью больше номинальной;

- требуемый диапазон регулирования скорости (3-4):1.

Для механизмов роторного колёса:

- роторное колесо выполняет главное рабочее движение, обеспечивающее резание породы; электропривод должен работать в продолжительном режиме; реверс вращения колеса не требуется;

- для рационального режима резания различных по крепости пород требуется снижение угловой скорости роторного колеса на 30-60 % по отношению к номинальной (практически регулирование скорости необходимо только в процессе резания, т.е. под нагрузкой);

- момент сопротивления механизма реактивный, пульсирующий; постоянная составляющая силы резания и, следовательно, момента сопротивления прямо пропорциональна скорости продольной подачи, которую обеспечивает привод поворота стрелы;

- существенные колебания частоты вращения роторного колеса под воздействием нагрузки недопустимы, так как возникает положительная обратная связь по моменту нагрузки: снижение частоты вращения роторного колеса при неизменной скорости подачи приводит к увеличению момента сопротивления приводов роторного колеса и поворота стрелы; при этом могут возникнуть перегрузки и колебания роторной стрелы и металлоконструкций экскаватора;

- возможность технологических перегрузок и режимов стопорения при встрече ковшей с непреодолимым препятствием обусловливает необходимость ограничения момента привода.

Для механизмов ленточных конвейеров:

- конвейеры предназначены для непрерывного транспортирования горной массы в одном направлении при диапазоне регулирования скорости 1,25:1;

- процессе пуска конвейеров необходимо сохранять сцепление ленты с приводными барабанами, исключающее пробуксовку, а также продольные колебания ленты, как при полностью загруженной, так и при недогруженной ленте;

- для ограничения натяжения ленты в конвейерах используются два приводных барабана с индивидуальными приводами; целесообразным считают соотношение моментов между первым и вторым барабаном 2:1.

Для механизмов вращателя бурового станка:

- момент нагрузки привода вращателя реактивный, определяется силой сопротивления движению шарошки и трением бурового става о стенки скважины, которая учитывается, если сила сжатия става превышает критическое значение; средняя составляющая момента нелинейно зависит от произведения усилия механизма подачи на частоту вращения става;

- в зависимости от крепости породы и состояния инструмента (шарошечного долота), эффективности очистки забоя от буровой «мелочи» требуется выбор частоты вращения бурового става, диапазон регулирования (10...12):1;

- в рабочем режиме направление вращения става неизменное; для вспомогательного режима развинчивания штанг бурового става требуется неоперативное изменение направления вращения.

Все перечисленные механизмы находятся под действием переменных нагрузок, требуют регулирования скорости, управляются оператором.

Условия эксплуатации электрооборудования горной техники:

1) температурные диапазоны окружающего воздуха:

- -45 ... +45 °С для климатического исполнения У;

- -50 ... +45 °С для исполнения ХЛ;

- +50 °С для исполнения Т;

2) высокая запыленность окружающего воздуха - содержание неагрессивных и невзрывоопасных частиц до 3 мг/м3;

3) влажность воздуха до 85 % при +20 °С;

4) жесткие механические воздействия (тряска, вибрация, удары, наклоны), показатели которых зависят от типа горной машины;

5) ограниченная мощность карьерных сетей и, следовательно существенные колебания напряжения (+20/-30 %), выходящие за нормы ГОСТ для промышленных сетей;

6) стесненные условия размещения, ограниченные зоны обслуживания;

7) эксплуатация в полевых условиях, затрудняющих обслуживание и ремонт техники на объекте;

8) нехватка квалифицированного обслуживающего персонала.

Из перечисленных технологических особенностей и условий эксплуатации вытекают следующие основные требования к главным электроприводам горных машин для открытых разработок:

- бесступенчатое регулирование скорости в диапазоне, не менее указанного в технических условиях; обеспечение реверса и генераторного торможения за исключением электроприводов роторного колеса, транспортеров и вращателя;

- ограничение момента в установившихся режимах и «тяжелых» переходных процессах, когда статический и динамический моменты в сумме достигают максимально допустимого значения;

- ограничение ускорения в «легких» переходных процессах, когда статический и динамический моменты в сумме не достигают максимально допустимого значения (торможение или реверс при согласованном направлении момента сопротивления и электромагнитного момента двигателя);

- ограничение «рывка» (производной момента) в переходных процессах;

- минимальное время переходных процессов для механизмов с интенсивным повторно-кратковременным режимом работы при соответствующих ограничениях момента, его производной и ускорения;

- жесткость механической характеристики должна обеспечивать удержание или позиционирование механизма при нулевой заданной скорости, визуальный контроль нагружения привода и участие электропривода в демпфировании упругих механических колебаний;

- электропривод должен сохранять работоспособность при глубоких просадках напряжения сети; аварийные режимы электропривода при отключении сети недопустимы.

Таблица 1

 

Механизм Режим работы
Диапазон нагрузок
Установленная мощность, кВт Система электропривода Диапазон регулирования скорости
Вид механической характеристики
подъема

Повторно-
кратковременный

230-3600 Г-Д,
ТП-Д,
АИН с ШИМ Д,
НПЧ-АД
(4...6) : 1
напора 150-300 (3...4) : 1
тяги - -
поворота 150-1800 (3...4) : 1
гусеничного хода 100-300 (3...4) : 1
шагающего хода 200-1040 (3...4) : 1

 

В настоящее время для электроприводов главных механизмов горных машин применяют двигатели постоянного тока и асинхронные двигатели с управляемыми преобразователями электромашинными и статическими.

Реверсивные электроприводы выполнены по системам: генератор - двигатель (Г-Д); тиристорный преобразователь - двигатель (ТП-Д); автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией - асинхронный двигатель (АИН с ШИМ-АД); непосредственный преобразователь частоты - асинхронный двигатель (НПЧ-АД). Нереверсивные электроприводы роторных экскаваторов с малым диапазоном регулирования выполняют также по системе асинхронный машинно-вентильный каскад (АМВК) или асинхронный вентильный каскад (АВК). Для приводов конвейеров и гусеничного хода применяют также реостатные схемы управления асинхронным двигателем с фазным ротором (АД с ФР).

Каждому из механизмов горных машин соответствует определенное сочетание режима работы, диапазона нагрузок, установленной мощности двигателей, системы электропривода, диапазона регулирования скорости и вида статических характеристик (табл. 1-3). Суммарная установленная мощность двигателей одноковшовых экскаваторов дана для емкостей ковша от 5 до 25 м3 (см. табл. 1), роторных экскаваторов - для производительностей от 4500 до 5250 м3/ч (см. табл. 2), буровых станков - для диаметров шарошки от 190 до 280 мм (см. табл.3).

Упрощенные электрические схемы силовых цепей применяемых регулируемых электроприводов (рис. 1) можно условно обобщить и представить как систему управляемый преобразователь -двигатель (УП-Д).

В электроприводах постоянного тока {см. рис. 1, а и 6) управление угловой скоростью и моментом по абсолютному значению и направлению осуществляют путем регулирования напряжения на якоре двигателя. Для механизмов подъема и тяги (см. табл. 1),хода (см. табл. 2), подачи (см. табл. 3) дополнительно применяют режим ослабления поля двигателя с целью получения скорости выше номинальной в режимах опускания рабочего органа.

Напряжение на якоре двигателя Д в системе Г-Д (см. рис. 1, а) регулируют путем изменения силы тока в обмотке возбуждения генератора. Для этой цели служит возбудитель генератора ВГ, в качестве которого используют силовые магнитные усилители (системы МУ-Г-Д), тиристорные (ТБ-Г-Д) или транзисторные (ТрВ-Г-Д) преобразователи. В системах ТП-Д (см. рис. 1, б) напряжение на якоре двигателя регулируют путем фазового управления коммутацией тиристоров.

Таблица 2

 

Механизм Режим работы Диапазон нагрузок Установленная мощность, кВт Система электропривода Диапазон регулирования скорости Вид механической характеристики
роторное колесо продолжительный 700-2000 ГД, АМВК (1,5...2) : 1
поворота стрелы 60-300 Г-Д (3...4) : 1
тяги кратковременный 14-24 ТП-Д (3...4) : 1
поворота 60-180 ТП-Д (3...4) : 1
гусеничного хода 350-400 Г-Д (10...12) : 1
рельсово-шагающего хода повторно-кратковременный 400 Г-Д (10...12) : 1
конвейер продолжительный 250-1000 АФ с ФР, АВК (1,25...1) : 1

 

Системы Г-Д по принципу работы являются реверсивными с двунаправленной передачей энергии и обеспечивают требуемые четырехквадрантные механические характеристики электроприводов (см. табл. 1 и 2), системы ТП-Д для этой цели выполняют с двухкомплектным (реверсивным) тиристорным преобразователем.

Таблица 3

 

Механизм Режим работы Диапазон нагрузок Установленная мощность, кВт Система электропривода Диапазон регулирования скорости Вид механической характеристики
вращения продолжительный 50-100 Г-Д, ТП-Д (10...12) : 1
подачи 7-10 Гидравлический ТП-Д (150...200) : 1
хода повторно-кратковременный 20-50 АД (3...4) : 1

 

В нереверсивных системах используют однокомплектный тиристорный преобразователь (см. табл. 3); неоперативный реверс здесь осуществляется путем изменения полярности питания обмотки возбуждения двигателя. Для преобразования энергии в силовом канале электропривода в системе Г-Д предусмотрен электромашинный преобразователь. Сетевой синхронный или асинхронный двигатель СД вращает генератор постоянного тока Г. Суммарный КПД электромашинного преобразователя, определяемый как произведение КПД сетевого двигателя и генератора, составляет 0,85-0,9. Другая особенность - инерционность магнитной системы генератора, постоянная времени по цепи возбуждения лежит в диапазоне 1...5 с, форсирование напряжения на выходе ВГ позволяет уменьшить время переходных процессов по напряжению генератора в 3-5 раз.

Преобразование энергии в силовом канале электропривода системы ТП-Д осуществляет тиристорный преобразователь, который через согласующий трансформатор подключен к сети. Суммарный КПД трансформатора и ТП составляет 0,96-0,97, постоянная времени ТП - около 0,01 с.

Рисунок 1. Варианты электрических схем силовых цепей регулируемых электроприводов

В частотно-регулируемых электроприводах (см. рис. 1, в и г) скоростью и моментом по абсолютному значению и направлению управляют путем регулирования по определенному закону амплитуды и и частоты основной гармоники напряжения на статоре АД.

В системе АИН С ШИМ-АД имеется звено постоянного тока, напряжение на котором обеспечивает неуправляемый выпрямитель В. Трехфазное переменное напряжение на статоре АД формируется автономным инвертором АИН путем векторной синусоидальной ШИМ напряжения звена постоянного тока. С целью получения четырех-квадрантных механических характеристик в этой системе требуются цепи для рекуперации энергии в сеть, для чего наряду с неуправляемым выпрямителем необходимо наличие инвертора ИН, «ведомого» сетью. Связь выпрямителя и инвертора с сетью также осуществляется через согласующий трансформатор. Суммарный КПД трансформатора, выпрямителя и автономного инвертора составляет 0,95-0,96, постоянная времени - около 0,001 с.

В каскадных системах электроприводов (см. табл. 2), которые используют для получения одноквадрантных механических характеристик, переменное напряжение, снимаемое с контактных колец ротора АД с фазным ротором, через выпрямитель подается в цепь постоянного тока.

В системе АМВК (см. рис. 1, д) имеется электромашинный агрегат в составе сетевого синхронного генератора СГ и двигателя постоянного тока Д СГ подключен к сети; вал агрегата вращается с постоянной частотой. Путем регулирования напряжения возбуждения двигателя с помощью ВД устанавливается разница между ЭДС двигателя и выпрямленным напряжением, обеспечивается необходимая сила тока в звене постоянного тока; мощность «скольжения» АД за вычетом потерь в роторе, выпрямителе и электромашинном агрегате возвращается в сеть.

В системе АВК функции электромашинного преобразователя выполняет тиристорный инвертор, ведомый сетью. КПД системы электропривода повышается на 7-9 % по сравнению с КПД АМВК.

Перечисленным требованиям к регулируемым электроприводам горных машин удовлетворяет ряд структур замкнутых систем автоматического регулирования (САР).

Рисунок 2. Типовая структура САР электроприводов Г-Д и ТП-Д для роторных экскаваторов и буровых станков

Структуру САР с суммирующим усилителем для электроприводов постоянного тока (рис. 2) применяют в основном для механизмов роторных экскаваторов и буровых станков, которые не работают в интенсивном повторно-кратковременном режиме. Для этих механизмов характерны: экскаваторная механическая характеристика, плавное регулирование с ограничением ускорений и рывков; может требоваться высокая жесткость рабочего участка механических характеристик и достаточно широкий диапазон регулирования.

В этой связи в САР с суммирующим усилителем применяют: отрицательную обратную связь по скорости (о.с.) вала двигателя при высокой жесткости механических характеристик, или связь по напряжению (о.н.) УП (Г или ТП) при меньшей жесткости; связь с отсечкой по току (т.о.) для формирования участка ограничения момента механической характеристики; корректирующие устойчивость САР гибкие обратные связи по напряжению (г.о.н.) или току (г.о.т.) УП; задатчик интенсивности (ЗИ) с S-образной характеристикой для формирования заданий (з.с. или з.н.) с ограничением ускорений и рывков в переходных процессах по управлению. В САР имеются также необходимые датчики скорости (ДС), тока (ДТ), напряжения (ДН), дифференцирующие элементы (ДЭ) и нелинейное звено (НЗ).

Рисунок 3. Типовая структра САР электроприводов систем АМВК и АВК для роторных экскаваторов

Для регулируемых электроприводов с каскадными схемами (АМВК, АВК) применяют структуру САР с подчиненным регулированием координат и последовательной коррекцией (рис. 3). Настройку САР осуществляют в диапазоне, обеспечивающем качество регулирования от технического оптимума до критического демпфирования. В контуре регулирования силы тока в цепи постоянного тока применяют пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор тока (РТ), в контуре регулирования скорости - пропорциональный (П) регулятор скорости (PC). Формирование участка ограничения момента механической характеристики осуществляется отсечкой по току, подключенной на вход PC. На входе САР имеется ЗИ. Начальные условия режима холостого хода привода, когда ЭДС УП несколько превышает выпрямленную ЭДС короткого замыкания ротора АД, обеспечивают заданием смещения ЭДС УП (з.см.).

Рисунок 4. Типовая структура САР электроприводов систем Г-Д и ТП-Д для одноковшовых экскаваторов

Рисунок 5. Типовая структура САР с регулируемым ЗИ электроприводом систем Г-Д и ТП-Д для одноковшовых экскаваторов

Наиболее сложные и противоречивые требования предъявляют к статическим и динамическим характеристикам электроприводов главных механизмов одноковшовых экскаваторов. Типовые структуры САР для них (рис. 4-5} отличаются следующей спецификой.

Структура САР, приведенная на рис. 4, представляет собой двухконтурную систему подчиненного регулирования координат с последовательной или последовательно-параллельной коррекцией в зависимости от параметров объекта регулирования. Внутренний (подчиненный) контур тока имеет пропорциональный или пропорционально-интегральный РТ. Сигналы в контуре тока суммируются на звене ограничения (30) на входе РТ.

Внешним является контур регулирования напряжения с пропорциональным регулятором (РН). Характеристика «вход-выход» РН задает форму экскаваторной механической характеристики привода.

Во всех режимах работы приода, в которых сила тока якоря незначительно отличается от значения, заданного на выходе РН, 30 работает на своей линейной части и поддерживает силу тока на заданном уровне. В этом случае отрабатывается заданная статическая механическая характеристика. В случаях, когда ошибка по току выходит за заданный предел, что характерно для «легких» переходных процессов, реализуется ограничение сигнала на входе РТ и соответствующее ограничение производной напряжения на выходе УП, а следовательно, ускорения двигателя.

С целью независимой установки параметров статических и динамических характеристик привода используют гибкие отрицательные связи по току и напряжению УП. Дополнительно увеличить жесткость механической характеристики позволяет положительная обратная связь по току (п.о.т.), подключенная на вход РН.

В системах ГД с возбуждением на магнитных усилителях широко используют формирование интегральной составляющей РТ за счет критического самовозбуждения генератора, что позволяет значительно уменьшить мощность и инерционность возбудителя генератора.

В структуре, показанной на рис. 5, также применена двухконтурная система подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией. Регулятор в контуре тока от пропорционального до пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД), а в контуре напряжения - пропорциональный. Для повышения жесткости рабочего участка механической характеристики можно применять положительную обратную связь потоку, подключенную на входе РН. Ограничение ускорения в «легких» переходных процессах и производной тока обеспечивается параметрами регулируемого задатчика интенсивности (РЗИ).

Экскаваторная механическая характеристика с определенным коэффициентом отсечки участка ограничения момента также формируется с помощью РЗИ и НЗ. Последнее действует как отрицательная связь с отсечкой по заданию тока. В принципе эта связь контролирует ошибку регулирования по напряжению УП и, если она выходит за заданный предел, то через зону нечувствительности НЗ проходит сигнал т.о., который влияет на темп изменения задания напряжения (з.н.), т.е. на ускорение привода, и может при стопорениях снизить его до нуля или изменить знак, затормозив привод. Форма характеристики «вход-выход» НЗ задает форму механической характеристики. Таким образом, РЗИ вместе с НЗ в данной САР ограничивает ускорение в «легких» переходных процессах и ограничивает момент в «тяжелых» переходных процессах.

В связи с жесткими требованиями к статическим и динамическим характеристикам электроприводов переменного тока для главных механизмов одноковшовых экскаваторов их регулировочные свойства должны быть не хуже, чем у электроприводов постоянного тока системы ТП-Д. Это может быть обеспечено при векторном управлении координатами асинхронного двигателя. Осложняющим обстоятельством является нежелательность установки для экскаваторного электропривода дополнительных датчиков магнитного потока и частоты вращения ротора АД, при наличии которых надежно строятся широкорегулируемые и быстродействующие системы частотного электропривода с векторным управлением.

Рядом ведущих электротехнических корпораций доказана возможность создания «бездатчиковых» систем векторного управления, в которых недостающая информация об амплитуде, фазе и частоте вращения вектора магнитного потока в двигателе вычисляется с помощью «наблюдателя» - математической модели объекта, позволяющей восстановить неизмеряемые физические переменные состояния объекта по измеряемым.

Рисунок 6. Структура САР электроприводов систем НПЧ-АД и АИН с ШИМ-АД с бездатчиковым векторным управлением

На рис. 6 на укрупненном функциональном уровне дана структура подобной САР.

УП - преобразователь частоты с интеллектуальной системой управления, которая в реальном времени решает систему дифференциальных уравнений с перекрестными связями и нелиней-ностями, описывающую объект регулирования (частотно-управляемый асинхронный двигатель) в двухфазной системе координат х,у, вращающейся с частотой поля двигателя, в которой по оси х направлен результирующий вектор потокосцепления ротора.

Информационная часть САР позволяет измерить фактические значения силы тока и напряжения на выходе УП, определить параметры их векторов, определить составляющие напряжений и токов статора по осям системы координат х, у, а также восстановить с помощью наблюдателей модуль результирующего вектора потокосцепления у'г ротора и частоту вращения ротора со*. Далее САР может быть построена аналогично известной датчиковой системе "Трансвектор", разработанной фирмой Siemens. CAP четырехконтурная с двумя ПИ-регуляторами тока: РТХ - реактивной составляющей тока статора 1-\х (аналог тока возбуждения) и РТУ активной составляющий hy (аналог тока якоря), ПИ-регулятором потока РП, воздействующим на задание тока по оси х, и П-регулятором скорости, воздействующим на задание тока по оси у. В системе используется подчиненное регулирование координат с последовательной коррекцией; формирование экскаваторных статических и динамических характеристик осуществляется с помощью РЗИ (аналогично рассмотренной выше САР).

Несомненно, переход на более современные системы электропривода с электронными силовыми преобразователями и цифровой информационно-управляющей частью является прогрессивной тенденцией. Электроприводы систем ТП-Д, НПЧ-АД, АИН с ШИМ-АД имеют ряд преимуществ по сравнению с системой Г-Д: экономия электроэнергии до 10-12 %; уменьшение динамических нагрузок на механизмы и повышение их надежности; облегчение управления копающими механизмами и увеличение производительности машин; снижение затрат на обслуживание и ремонт электромашинных агрегатов; улучшение массогабаритных характеристик приводов; уменьшение «просадок» сетевого напряжения, связанных с пуском преобразовательных агрегатов. Однако системы с электронными преобразователями не лишены и недостатков: низкий и изменяющийся в широких пределах коэффициент мощности при обмене энергией с сетью; опасность тяжелых аварий вследствие «опрокидывания» инвертора при понижении или исчезновении напряжения сети. Эти проблемы решаются путем установки регулируемых фильтро-компенсирующих устройств, а также средств защиты от опрокидывания инвертора.

Основные недостатки НПЧ-АД - это необходимость создания специальных электродвигателей на низкие номинальные частоты и широкий спектр гармоник тока, генерируемых НПЧ в сеть. Но и эти проблемы решаемы.

Более сложный комплекс требований к электроприводам одноковшовых экскаваторов по сравнению с роторными экскаваторами и буровыми станками затрудняет применение для них современных систем электропривода. Представление от том, какие системы электропривода преобладают в одноковшовых экскаваторах, эксплуатируемых в СНГ, дают данные для основных горнодобывающих предприятий, приведенные в табл. 4.

Таблица 4

 

Горнодобывающее предприятие
Число экскаваторов Система электропривода
МУ-Г-Д ТВ-Г-Д ТрВ-Г-Д
Михайловский ГОК 53 33 20 -
Лебединский ГОК 60 33 26 -
Стойленский ГОК 44 37 3 -
"Оренбургасбест" 16 6 10 -
Оленегорский ГОК 21 4 14 3
"Карельский окатыш" 41 4 35 2
Соколовско-Сорбайский ГОК 130 109 21 -
Ковдорский ГОК 16 10 6 -
Полтавский ГОК 58 50 8 -
"Кустанайасбест" 21 21 - -

 

Отдельные образцы отечественных одноковшовых экскаваторов со статическими преобразователями эксплуатируются в угольной промышленности. С 1989 г. на Сафроновском разрезе (г.Черемхово) ПО "Востсибуголь" находится в опытной эксплуатации единственный отечественный экскаватор ЭШ-20/90А с электроприводами системы НПЧ-АД, созданными институтом «Гипроуглеавтоматизация». Созданные в институте ВНИИэлектропривод системы электропривода ТП-Д для экскаваторов установлены на ряде экскаваторов ЭШ-20/90, ЭКГ-20 и ЭШ-40/100 (опытная эксплуатация ведется на ЭШ-20/ 90 с 1989 г. на Назаровском разрезе ПО «Красноярскуголь»).

За рубежом наибольших успехов в создании и применении современных электроприводов достигли экскаваторостроительные фирмы США Bucyrus-Erie и Harnishfeger совместно с электротехническими корпорациями Siemens и General Electric.

Фирма Harnishfeger более 20 лет устанавливает на свои экскаваторы электроприводы системы ТП-Д производства Р&Н Electrotorque Pius - дочерней фирмы General Electric. Свыше 100 наиболее мощных карьерных экскаваторов серии 4100 выпущено с такими электроприводами.

Фирма Bucyrus-Erie с 80-х годов серийно применяет в своих одноковшовых экскаваторах систему электропривода АИН с ШИМ-АДтипаАС1ЛТ-Ю1_™. Общее число выпущенных карьерных экскаваторов типа 395-В, 295-ВП и 290-BIE с емкостью ковша 17-34 м3 и драглайнов типа 380W с емкостью ковша 6,8-12 м3и длиной стрелы 42,7-61 м с такими приводами составляет уже более 150 штук. По желанию потребителя фирма Bucyrus-Erie выпускает также экскаваторы с электроприводами системы ТП-Д, поэтому результаты сравнения фирмой этих систем электропривода между собой особенно ценно.

Так, главные электроприводы экскаватора типа 295-B1I (ковш емкостью 34 м3 ) имеют общий неуправляемый выпрямитель и общий инвертор, ведомый сетью, а также раздельные автономные инверторы по приводам. Обеспечена устойчивая работа приводов при отклонениях напряжения сети от +10 до -30 % номинального значения. Коэффициент мощности в цикле экскавации превышает 0,9.

Благодаря меньшей инерционности двигателей и системы управления повышены ускорения и точность выполняемых операций, уменьшено время цикла. В приводе подъема обеспечена удвоенная скорость, на которой двигатель развивает до 30 % максимального момента, а максимальный момент подъема увеличен на 5 %. Максимальные скорости напора и поворота увеличены соответственно на 12 и 16 %, стопорные моменты - на 5 и 25 %.

Вместе с тем, ведущие экскаваторостроительные фирмы продолжают выпускать экскаваторы с электроприводами системы Г-Д. Объясняется это, прежде всего, пожеланиями потребителя, готовностью его эксплуатационного персонала и ремонтных служб в силу традиции работать именно с этим приводом.

Тем не менее, в экскаваторо-строении наблюдается тенденция применения системы электропривода АИН с ШИМ-АД. К переходу на эту систему в 2005 г. готовится и главный приверженец системы ТП-Д - фирма Harnishfeger. Новые возможности, которые открылись в современном электроприводе с электронными преобразователями при появлении на рынке мощных (сила тока до 1200 А, напряжения 1200, 1700 и 3300 В), быстродействующих полностью управляемых ключей типа IGBT и однокристальных микро-ЭВМ типа Motor control, предназначенных для прямого цифрового управления этими ключами в системах электропривода, радикально изменили ситуацию. Возможности создания современных систем электропривода для горной техники, в том числе электроприводов переменного тока с электронными преобразователями в настоящее время есть, и ими необходимо воспользоваться.

Канд. техн. наук В.И. Остриров,
д-р техн. наукА.Н. Микитченко
Московский энергетический институт
[технический университет],
ОАО «Рудоавтоматика»

Наши группы в Telegram, Viber. Присоединяйтесь!

Быстрая связь с редакцией в WhatsApp!

При перепечатке текста и использовании фотографий обязательна активная ссылка на exkavator.ru

Присоединяйтесь к нам на канале Яндекс.Дзен
Заметили ошибку? Выделите участок текста и нажмите Ctrl+Enter, чтобы оповестить редакцию сайта.
Оцените, пожалуйста, статью:
Оценивших: 7, оценка: 5 из 5
Нам очень важно ваше мнение
5
5
5
7
Подписаться на новости
рынка спецтехники
Подписаться