Автоматизированный электропривод экскаватора-драглайна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизированный электропривод экскаватора-драглайна

1. Описание экскаватора-драглайна

Экскаваторы с емкостью ковша более 3 м³ обычно имеют оборудование прямой лопаты или драглайна. Драглайны применяются для работ, требующих перемещения породы на большие расстояния при сравнительно мягких грунтах.

экскаватор электропривод драглайн нагрузка

Рис. 1. Общий вид экскаватора-драглайна типа ЭШ-100/100

Экскаватор-драглайн (рис. 1) имеет ковш 1, свободно подвешенный на канатах. Наполнение ковша (черпание) производится путем подтягивания его к машине с помощью тягового каната 2. При этом ковш внедряется в грунт под действием собственного веса и удерживается от чрезмерного заглубления с помощью подъемных канатов 3. С помощью подъемных канатов производится подъем ковша к голове стрелы, в процессе которого тяговые канаты удерживают загруженный ковш от опрокидывания. Третьим рабочим движением в цикле экскавации является поворот на выгрузку и в забой. В конце поворота на выгрузку тяговые канаты ослабляются, что вызывает опрокидывание и разгрузку ковша.

Таким образом, основными механизмами экскаватора-драглайна являются одинаковые по конструкции подъемная и тяговая лебедки и механизм поворота. Драглайны используются для вскрышных работ при относительно слабых грунтах. По условиям выполнения таких работ экскаватор часто, разрабатывая отвалы, должен стоять на насыпном грунте и перемещаться по этому мягкому основанию. Для уменьшения давления на грунт при работе драглайн опирается на круглую плиту большого диаметра (так называемую базу 4), а для передвижения используется механизм шагания с опорными лыжами 5 большой площади. Наиболее массовой машиной такого типа является ЭШ-5/45М (экскаватор шагающий с емкостью ковша 5 м³ и длиной стрелы 45 м). Выпускаются также более мощные экскаваторы типов ЭШ-10/70А, ЭШ-15/90А и др.

Крупные одноковшовые экскаваторы являются высокопроизводительными землеройными машинами, представляющими собой уникальные по габаритам, массе и мощности главных электроприводов технические сооружения. В этом можно убедиться, рассматривая приведенный на рис. 1, с указанием основных размеров схематический общий вид шагающего экскаватора-драглайна типа ЭШ-100/100 имеющего ковш емкостью 100 м³ и длину стрелы 100 м. Он оборудован совершенными электроприводами основных механизмов большой мощности, которая для подъемной и тяговой лебедок составляет по 10000 кВт, а электропривод поворота имеет восемь двигателей по 1000 кВт каждый. Исключительный эффект повышения производительности труда на открытых горных разработках за счет применения машин такой мощности в некоторой мере можно представить, если учесть, что экскаватор является послушным и мощным продолжением рук одного землекопа-оператора, который воздействуя на рукоятки командоаппаратов главных электроприводов, за смену без тяжелого физического труда производит такой же объем земляных работ, что и армия землекопов в несколько десятков тысяч человек.

2. Особенности статики и динамики взаимодействующих электроприводов экскаватора-драглайна

Рассмотрим рабочие нагрузки механизмов подъема и тяги экскаватора-драглайна, возникающие в режимах свободного подъема ковша по различным траекториям. С этой целью на рис. 2 показан ряд положений центра тяжести подвешенного на канатах ковша и осуществлено графическое разложение силы тяжести на составляющие ее силы натяжения подъемного и тягового канатов, направления которых в каждой точке известны.

Точка I соответствует моменту отрыва груженого ковша после черпания с глубины забоя. При этом вес ковша примерно поровну распределяется между подъемным и тяговым канатами; соответственно натяжения и составляют примерно половину . Точка II также соответствует отрыву груженого ковша после черпания, но в верхней части забоя, вблизи нижнего блока наводки тягового каната. Здесь за счет увеличения растяжки ковша натяжения и значительно больше, чем в точке I, и могут по абсолютному значению превышать вес ковша. В точке III определены натяжения канатов, которые имеют место при подъеме груженого ковша по вертикали или при спуске порожнего ковша в забой. В том и другом случае сила примерно равна весу ковша (соответственно груженого или порожнего), а натяжение тягового каната либо имеет небольшое значение, необходимое для удержания ковша от опрокидывания и разгрузки, либо при спуске ковша может быть близко к нулю. Точка IV соответствует аварийной растяжке ковша, при которой создается опасность удара ковшом по стреле, так как небольшое увеличение растяжки вызывает большие ускорения ковша в направлении стрелы.

Рис. 2-1. Зависимость статических нагрузок подъемного и тягового канатов экскаватора-драглайна от положения ковша

Если в точке I остановить привод тяги и осуществлять подъем ковша за счет подъемной лебедки, ковш будет приближаться к стреле, а нагрузка тягового каната возрастать. Аналогично, если в точке III остановить привод подъема и подтягивать ковш тягой, ковш будет перемещаться по дуге окружности к стреле и с ростом растяжки нагрузка подъемного каната станет возрастать вначале медленно, а затем все быстрее. Перемещение ковша по требуемой траектории требует согласованной работы приводов подъема и тяги, причем очевидно взаимное влияние этих приводов на возникающие при работе их статические нагрузки.

Процесс перемещения ковша на выгрузку по требуемой пространственной траектории обеспечивается совместной работой электроприводов подъема, тяги и поворота платформы экскаватора. Если рассмотреть условия протекания переходных процессов электропривода поворота при положениях ковша I-IV (рис. 2-1), можно установить, что суммарный приведенный момент инерции электропривода поворота при работе электроприводов подъема и тяги непрерывно изменяется, так как приведенный момент инерции груженого ковша на полном вылете составляет значительную долю , а при перемещении к точке II быстро снижается пропорционально квадрату расстояния от оси вращения платформы. С другой стороны, при вращении платформы возникает центробежная сила инерции ковша, которая увеличивает натяжение тягового каната. Таким образом, очевидно взаимное влияние всех электроприводов драглайна как в статических, так и в динамических режимах работы.

Установленная особенность определяет трудности анализа динамических процессов электроприводов машин-манипуляторов. В теории электропривода для описания динамики механической части электроприводов в общем случае используются уравнения Лагранжа. Воспользуемся этим математическим аппаратом для выявления основных особенностей электроприводов изменения вылета стрелы и поворота платформы портального крана, рассматриваемых как объект автоматического управления. Лебедка изменения вылета осуществляет поворот стрелы в вертикальной плоскости относительно опорного шарнира, который можно считать расположенным на оси вращения платформы. При этом изменение вылета стрелы 3 (см. рис. 1) сопровождается соответствующим изменением вылета противовеса 5, связанного с ней тягой 6. Этим обеспечивается уравновешивание веса стрелы относительно оси вращения платформы. Суммарный момент инерции электропривода поворота за счет введения противовеса увеличивается незначительно, так как приведенный момент инерции номинального груза, пропорциональный квадрату его расстояния от оси вращения, намного больше приведенного момента инерции противовеса, имеющего значительно меньший вылет. Учитывая эти соображения, в первом приближении для анализа динамики данных взаимодействующих электроприводов можно использовать пространственную расчетную электромеханическую схему, показанную на рис. 2-2.

Рис. 2-2. Расчетная механическая схема электропривода изменения вылета и поворота портального крана

На рис. 2-2 приняты обозначения:

,- электромагнитные моменты двигателей подъема (изменения вылета) стрелы ДП и вращения платформы ДВ;

,- углы поворота двигателей ДП и ДВ;

,- моменты инерции двигателей ДП и ДВ и жестко связанных с ними элементов приводов;

,- кинематические зазоры тех же передач;

,- углы поворота стрелы и поворота платформы;

,- моменты инерции барабана лебедки изменения вылета (связь барабана со стрелой принята жесткой) и поворотной платформы (связь платформы со стрелой принята жесткой);

, -моменты потерь на трение, приложенные к соответствующим массам;

,- массы стрелы с грузом и противовеса, сосредоточенные в центрах тяжести с координатами соответственно ,- и ,. Все параметры и координаты электроприводов приведены к их выходным валам.

В общем случае для i-m степени свободы уравнение Лагранжа имеет вид:

Полученной системе уравнений (2-59) соответствует структурная схема механической части взаимодействующих электроприводов подъема стрелы и вращения платформы портального крана, показанная на рис. 2-3. Эта схема наглядно характеризует основные особенности приводов машин-манипуляторов как объектов автоматического регулирования. Взаимодействующие электроприводы механизмов таких машин представляют собой многосвязные нелинейные электромеханические системы, в которых изменения одной координаты оказывают влияние на статические и динамические нагрузки электропривода другой, причем в нелинейной зависимости.

Рис. 2-3. Структурная схема механической части электроприводов изменения вылета и поворота портального крана

3. Электропривод основных механизмов одноковшовых экскаваторов

Сформулируем основные требования, предъявляемые к главным электроприводам экскаваторов. При этом важнейшим является требование обеспечения максимальной производительности машины при минимальных нагрузках ее электрического и механического оборудования. Для выполнения этого общего требования необходимо, чтобы система электропривода обладала следующими свойствами:

1) электропривод должен обеспечивать надежное ограничение момента и тока допустимым стопорным значением во всех режимах работы, т.е. обладать механической характеристикой экскаваторной формы, заполнение которой при проектировании и наладке можно было бы изменять в широких пределах, в соответствии с условиями работы каждого механизма экскаватора;

2) электропривод должен обеспечивать экономичное регулирование скорости в диапазоне 4 -6 и рекуперацию энергии, освобождающейся при торможениях механизма поворота или при опускании ковша. Жесткость рабочего участка механической характеристики, соответствующей нулевому положению командоконтроллера, должна обеспечивать достаточно малую скорость спуска ковша при удержании его путем электрического торможения;

3) формирование переходных процессов, имеющих минимальную длительность при ограничениях, наложенных на предельные значения момента, темпа его изменения и ускорения, обеспечивающих минимальные динамические нагрузки механического оборудования экскаватора, должно осуществляться достаточно простыми и надежными средствами;

4) схема соединения силовых цепей и динамические свойства системы управления электроприводом должны способствовать реализации возможного демпфирующего действия, которое оказывает электропривод с линейной механической характеристикой на механические колебания в электромеханической системе;

5) схема должна быть простой и максимально надежной.

Удовлетворить всем перечисленным требованиям может лишь система электропривода, обеспечивающая непрерывное управление скоростью механизма во всех режимах с высокими показателями точности и качества регулирования основных координат. Поэтому для индивидуального электропривода основных механизмов одноковшовых экскаваторов с емкостью ковша выше 2 в настоящее время применяются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, управляемые изменением напряжения в цепи якоря по системе управляемый преобразователь - двигатель (УП-Д). В качестве управляемого преобразователя может быть использован генератор постоянного тока (Г-Д) или тиристорный преобразователь (ТП - Д).

Для удовлетворения трех первых требований система управления должна обладать достаточно высоким коэффициентом усиления, что достигается введением в схему управления полем генератора усилителя того или иного вида. До недавнего времени преимущественное применение в качестве возбудителя генераторов находил электромашинный усилитель с поперечным полем (ЭМУ). В настоящее время ЭМУ на вновь выпускаемых экскаваторах вытеснен более надежными, обладающими стабильной характеристикой силовыми магнитными усилителями, а на мощных экскаваторах, где требуемая номинальная мощность усилителя превышает 5-10 кВт, в качестве возбудителей генераторов используются тиристорные усилители.

Индивидуальные генераторы главных электроприводов экскаватора объединяются в преобразовательный агрегат, который приводится во вращение асинхронным или, чаще, синхронным двигателем с номинальным напряжением статора 3 или 6 кВ. На этом напряжении и осуществляется питание экскаватора от передвижного распределительного устройства с помощью гибкого шлангового высоковольтного кабеля. Для питания остальных двигателей на экскаваторе устанавливается силовой трансформатор 3 - 6/0,4 кВ, а для освещения - трансформаторы 380/127 и 380/220 В.

В соответствии с требованием ограничения момента двигателя допустимым стопорным значением во всех режимах работы главной регулируемой координатой электромеханической системы является ток якоря двигателя, а основной обратной связью в системе управления - отрицательная связь по току. Требования к жесткости рабочего участка экскаваторных характеристик не являются высокими, так как указанный диапазон регулирования скорости мощного электропривода при регулировании напряжением может быть получен даже в разомкнутой системе. Для получения требуемой жесткости характеристики для удержания ковша при установке командоконтроллера в нулевое положение, а также для уменьшения влияния на скорость гистерезиса в магнитной цепи генератора, температурных изменений сопротивлений и колебаний напряжения сети в современных экскаваторных электроприводах используется отрицательная обратная связь по напряжению преобразователя. Кроме того, для получения требуемого качества регулирования тока и напряжения в ряде случаев возникает необходимость использования гибких связей по регулируемым переменным.

До недавнего времени основной структурой регулируемого экскаваторного электропривода по системе Г - Д являлась структура с суммирующим усилителем. В последние годы на большинстве выпускаемых в нашей стране экскаваторов находят применение схемы, имеющие многоконтурную структуру подчиненного регулирования координат электропривода. Двухконтурная структура подчиненного регулирования тока и скорости двигателя показывает, что она в применении к электроприводу командных манипуляторов наряду с очевидными достоинствами обладает рядом существенных недостатков, которые могут находиться в противоречии с основными требованиями, предъявляемыми к экскаваторному электроприводу в отношении жесткости рабочего участка статической характеристики, точности регулирования тока и ограничения ускорений в переходных процессах.

Для экскаваторных электроприводов разработана унифицированная структура, представленная на рис. 3-1 Рассматривая эту схему, легко установить, что она является двухконтурной системой подчиненного регулирования тока якоря двигателя и напряжения преобразователя. В качестве регулятора тока РТ используется И-регулятор с постоянной интегрирования Ти. Следовательно, постоянная якоря Тя предполагается некомпенсируемой. Сигналы задания тока uз. т и отрицательной обратной связи по току якоря суммируются на входе дополнительного звена ограничения 30, имеющего характеристику «вход - выход» с ограничением выходной величины. Во всех режимах, в которых ток якоря незначительно отличается от стопорного, пропорциональный усилитель 30 работает на линейной части своей характеристики. Однако в легких переходных процессах пусковой ток уменьшается, разность возрастает и достигает порогового значения. При этом усилитель 30 «насыщается» и работает как звено ограничения, подавая на вход регулятора тока постоянный сигнал.

где _доп - допустимое ускорение двигателя.

Электродвижущая сила преобразователя нарастает в этом режиме по линейному закону с предельно допустимым по условию ограничения ускорений темпом независимо от тока якоря. Если за счет увеличения нагрузки ток возрастет, то разность станет меньше порогового напряжения звена ограничения - система начнет регулировать ток, как это и должно быть в тяжелых режимах, ограничивая его стопорным значением. Таким образом, за счет введения звена ограничения 30 в экскаваторном электроприводе обеспечивается ограничение максимальных ускорений.

Вместо отрицательной связи по скорости в схеме используется отрицательная обратная связь по напряжению преобразователя. Сигнал, задающий уровень напряжения (скорости двигателя) и сигнал обратной связи по напряжению суммируются на входе пропорционального регулятора напряжения РН. Для получения требуемой жесткости рабочего участка механической характеристики привода при регулировании напряжения на вход регулятора напряжения РН подается сигнал положительной обратной связи по току . Если положительная связь по току подается на вход РН с коэффициентом где - коэффициент усиления регулятора напряжения, то при работе РН в пределах линейной части своей характеристики его выходное напряжение содержит составляющую, в каждый момент численно равную сигналу отрицательной связи по току, воздействующему на вход звена 30. Следовательно, при такой настройке положительная связь по току компенсирует действие внутреннего контура тока, направленное на смягчение механической характеристики, и систему можно рассматривать как разомкнутую по току якоря.

Благодаря компенсации действия отрицательной связи по току обеспечивается поддержание постоянства напряжения на двигателе и жесткость рабочего участка в данной схеме получается достаточно высокой для любого экскаваторного электропривода. Одновременно устраняется связь между жесткостью статической характеристики и качеством переходных процессов, свойственная системе с последовательной коррекцией. Подбором коэффициента положительной обратной связи по току якоря можно установить любую требуемую жесткость рабочего участка экскаваторных характеристик.

При работе в зоне токоограничения регулятор напряжения насыщен и выдает на выходе постоянное напряжение . Тем самым прекращается действие отрицательной связи по напряжению и положительной связи по току - система работает как одноконтурная система регулирования тока.

Интегральный регулятор тока не компенсирует постоянную времени якорной цепи Т_я. За счет этого суммарная некомпенсируемая инерционность возрастает, и быстродействие системы при последовательной коррекции может быть, как выше было показано, совершенно неудовлетворительным.

В рассматриваемой структуре этот недостаток устраняется за счет введения в сигнал отрицательной связи составляющей, пропорциональной производной регулируемой величины. Говоря строго, это эквивалентно применению смешанной последовательно-параллельной коррекции, однако структура позволяет для выбора параметров и оптимизации применить основной подход, свойственный методу последовательной коррекции, дополнив его некоторыми изменениями в соответствии с использованием смешанной коррекции.

Опыт наладки экскаваторных электроприводов показывает что для получения требуемых динамических качеств привода достаточно осуществить настройку контура регулирования тока в режиме короткого замыкания (при снятом возбуждении двигателей) и контура регулирования напряжения в режиме холостого хода (при разомкнутой якорной цепи).

Рис. 3-1. Унифицированная структура экскаваторных электроприводов

При оптимальной настройке контуров в этих искусственных режимах обеспечивается близкая к оптимальной динамика привода в рабочем состоянии.

Заметим, что режим короткого замыкания в точности соответствует условиям работы схемы при отсутствии внутренней связи по ЭДС двигателя. Пренебрежение внутренней связью по ЭДС является одним из главных допущений метода синтеза многоконтурных систем подчиненного регулирования. Поэтому оптимизация контура тока по режиму короткого замыкания лишь поясняет смысл этого допущения. Настройка контура напряжения по режиму холостого хода применима лишь к схеме, приведенной на рис. 3-1, и ей подобным. Основанием для этого является использование обратной связи по напряжению вместо обратной связи по скорости и применение компенсирующей положительной связи по току якоря, благодаря которой при работе контура напряжения цепи обратных связей по току можно считать разомкнутыми.

Структурная схема контура тока в режиме короткого замыкания представлена на рис. 3-2, а.

Передаточная функция объекта регулирования тока

где, - коэффициенты усиления соответственно звена ограничения ЗО и преобразователя П;

В соответствии с рассмотренным выше методом последовательной коррекции примем, что передаточная функция регулятора тока должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы получить передаточную функцию разомкнутого контура тока вида

Рис. 3-2. Оптимизация динамики экскаваторного электропривода по режиму короткого замыкания (а) и холостого хода (б)

где - постоянная интегрирования контура тока.

Передаточная функция регулятора тока

Передаточная функция замкнутого контура тока будет иметь вид:

Рассматривая (3-18), можно убедиться, что введение в контур регулирования сигнала, пропорционального производной тока, расширяет возможности настройки, нарушая жесткую связь между соотношением постоянных времени и характером процессов. Корни характеристического уравнения (3-18)

Таким образом, представляется возможность при любом соотношении постоянных а_т получить требуемое качество процесса, подобрав значение гибкой составляющей Т'_т, обеспечивающее соответствующий дискриминант характеристического уравнения (3-18). Так, для критического демпфирования (граничного случая апериодического процесса при равенстве дискриминанта нулю) можно найти следующее условие: откуда

Если выбрать а_Т = 4, то в соответствии с (3-20) Т_т = 0, что соответствует случаю чисто последовательной коррекции. При а_Т < 4 Т_т 0. т.е. для получения требуемого качества процесса необходимо вводить гибкую связь по регулируемой величине. Так как то значение а_Т непосредственно определяет постоянную интегрирования регулятора тока Т_и и как следствие расхождение между статической и динамической характеристиками.

Использование гибкой связи по току позволяет выбирать значение из условия получения минимума допустимого значения . Подставляя найденное таким образом значение в (3-20), определяем постоянную гибкой связи по току обеспечивающую апериодический характер процессов.

Максимальное выходное напряжение звена ограничения 30 вычисляется по (3-16).

Структурная схема контура регулирования напряжения в режиме холостого хода с учетом полученной передаточной функции регулятора тока представлена на рис. 3-2, б. Как и ранее, желаемая передаточная функция разомкнутого контура имеет вид:

Передаточная функция регулятора напряжения

Передаточная функция замкнутого контура регулирования напряжения

Полученная передаточная функция аналогична (3-18) и обеспечивает те же возможности настройки путем подбора значений какие были установлены для контура тока. Следует, однако, иметь в виду, что для контура напряжения нет очевидного критерия для выбора значения .Поэтому для этого контура целесообразно проверить качество регулирования при Т_н = 0 и ввести гибкую связь лишь в том случае, если какой-либо показатель неудовлетворителен.

Полученные несложные соотношения являются приближенными, но они могут служить хорошим ориентиром при наладке сложных систем, имеющих рассматриваемую структуру. Благодаря использованию смешанной последовательно-параллельной коррекции данная структура электропривода может быть реализована как с помощью элементов УБСР, так и с помощью достаточно простых и надежных магнитных усилителей. В последнем случае основные особенности рассмотренной схемы сохраняются за счет использования формирующей положительной связи по напряжению. Такие реализации наиболее рациональны для экскаваторных электроприводов по системе Г - Д.

Список литературы

1. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н.

2. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов В.И. Ключев, В.М. Терехов

3. Наладка электроприводов экскаваторов Ю.Я. Вуль, В.И. Ключев, Л.В. Седаков

4. Одноковшовые экскаваторы: конструкция, монтаж и ремонт Л.Г. Дроздова, О.А. Курбатова

5. Курсовая работа «Модернизация электропривода подъёма с системы Г-Д с СМУ на систему ТП-Д экскаватора ЭШ 6.45М» Зонов А.С.

Размещено на Allbest.ru