Рабочие режимы электроприводов экскаваторов

Работа экскаватора характеризуется в основном двумя следую­щими друг за другом процессами: копания (черпания) и пово­рота экскаватора в обоих направлениях. Процессы эти, чере­дуясь, следуют один за другим и в целом работа экскаватора протекает циклически.

Полный цикл выемки (черпания) и разгрузки осуществля­ется тремя рабочими механизмами: подъемным, напорным и по­воротным у экскаватора с оборудованием механической лопаты и тяги, подъемным и поворотным — у драглайна. Для разгрузки ковша на экскаваторе-лопате имеются специальный привод и механизм открывания днища.

Рабочий цикл экскаватора состоит из следующих основных элементов: копание, подъем ковша и одновременный поворот на выгрузку, разгрузка ковша, поворот к месту копания и одно­временное опускание ковша в забой.

Изменения вращающего момента и частоты вращения элек­тродвигателей графически изображаются в виде так называе­мых нагрузочных диаграмм. Изучение нагрузочных диаграмм позволяет установить сущность работы экскаватора и способ­ствует совершенствованию приемов управления машиной.

На рис. 12.1 представлены расчетные нагрузочные диа­граммы механизмов экскаватора с оборудованием механической лопаты. На рис. 12,1, а сплошной линией показана нагрузочная диаграмма подъемного механизма за один цикл. Пунктирной линией показана диаграмма частоты вращения подъемного двигателя. Работу подъемного механизма за один цикл экскава­ции можно разбить на следующие рабочие периоды: t₁ — копа­ние; t₂ — подъем груженого ковша и равновесное удержание его на определенной высоте при повороте платформы экскаватора на разгрузку; t₃ — разгрузка; t₄ — равновесное состояние порож­него ковша во время поворота к месту копания после разгрузки; t₅ — опускание порожнего ковша с применением торможения.

На рис. 12.1, б представ­лены диаграммы поворотного механизма за один рабочий цикл. Здесь имеют место сле­дующие рабочие периоды: t₆ — разгон и торможение по­воротной платформы с груже­ным ковшом; t₇ — разгон и торможение поворотной плат­формы с порожним ковшом. Длительность поворотных дви­жений составляет до 70—80 % общего времени цикла, т. е. определяет собой в значи­тельной мере производитель­ность экскаватора.

На рис. 12.1, в представ­лены диаграммы напорного механизма за один цикл. Ра­бочий цикл привода напора состоит из следующих перио­дов: t₈ — напор при копании; t₉ — возврат рукояти с груже­ным ковшом назад; t₁₀ — пе­ремещение рукояти с груже­ным ковшом вперед при пово­роте на разгрузку; t₁₁ — вытя­гивание рукояти при подаче порожнего ковша в забой.

Приведенные нагрузочные диаграммы основных рабочих ме­ханизмов построены на основании теоретических расчетов. Хотя действительная нагрузка механизмов несколько отличается от теоретической (расчетной) вследствие изменения сопротивления грунта и других факторов, общий характер нагрузочных диа­грамм остается примерно таким же, какой представлен на рис. 12.1.

Как видно из рассмотренных выше диаграмм, режим работы основных механизмов одноковшового экскаватора характери­зуется частыми пусками и реверсами, быстрыми разгонами и остановками. Частота включений подъемного двигателя доходит до 300 в час, а напорного и поворотного — до 700 в час.

Работа драглайна характеризуется следующими друг за дру­гом процессами: черпанием (заполнением ковша грунтом), подъемом груженого ковша и поворотом к месту разгрузки, раз­грузкой ковша, поворотом к забою и установкой ковша для нового черпания.

На рис. 12.2 представлены теоретические (расчетные) нагру­зочные и скоростные характеристики приводов рабочих меха­низмов драглайна.

Работу механизма тяги (рис. 12.2, а) можно разбить на сле­дующие основные рабочие периоды: t₁ — внедрение ковша в грунт; t₂ — черпание.

На рис. 12,2, б представлены диаграммы подъемного меха­низма. Здесь имеют место следующие рабочие периоды: t₃ — от­рыв ковша от грунта; t₄ — подъем ковша с одновременным пово­ротом экскаватора на разгрузку; U — разгрузка ковша; t ₆ — опу­скание порожнего ковша с одновременным поворотом к забою.

Для поворотного механизма (рис. 12.2, в) следует выделить два основных периода: t ₇ — поворот груженого ковша к месту разгрузки; t ₈ — поворот порожнего ковша к месту черпания.

Как и для экскаватора с оборудованием механической ло­паты, режим работы основных механизмов драглайна характе­ризуется быстрыми разгонами и остановками, частыми пусками и реверсами.

12.3. Требования, предъявляемые к электроприводам и электрооборудованию экскаваторов

Работа электроприводов основных рабочих механизмов экскава­тора характеризуется большой частотой включений, резкими из­менениями нагрузки, частыми изменениями направления враще­ния (реверсированием). Поэтому к электроприводу экскаватора предъявляются особые требования. Например, наиболее харак­терной особенностью работы механизма напора, как иногда и механизма подъема, является возможность его вынужденной остановки во время работы в случае встречи ковша с непреодо­лимым препятствием. Такой режим называется работой на упор или стопорением. Следовательно, для обеспечения надежной и безаварийной работы главного рабочего механизма требуются снижение момента (нагрузки) до допускаемых пределов при стопорении и «мягкость» характеристики его приводного двига­теля, с тем, чтобы частота вращения двигателя могла быть авто­матически замедлена (иногда до нуля) при достаточно большом увеличении нагрузки. Это требование является основным и предъявляется к электроприводам главных механизмов экска­ваторов.

С другой стороны, для сохранения нормальной производи­тельности экскаватора частота вращения двигателя с увеличе­нием момента должна мало меняться.

Автоматическое изменение частоты вращения двигателя в за­висимости от момента осуществляется по так называемой экска­ваторной характеристике.

В экскаваторных характеристиках с увеличением нагрузки угловая скорость двигателя вначале изменяется мало, а затем резко падает. При достижении максимально допустимого для данного механизма момента двигатель останавливается. Такой режим работы предохраняет двигатели главных приводов от пе­регрузок, толчков и ударов.

Форма экскаваторной характеристики электропривода дол­жна быть такой, чтобы при рабочих нагрузках обеспечивалась высокая производительность механизма с ограничением момента допустимыми значениями при возможных перегрузках (рис. 12.3).

Привод, обладающий характери­стикой 1, обеспечит наибольшую про­изводительность машины. Однако ха­рактеристика 2 обеспечивает возмож­ность своевременно снизить нагрузку механизма при перегрузке двигателя и избежать полной остановки.

Качество экскаваторной характери­стики определяется коэффициентом за­полнения, который представляет собой отношение площади, образованной кривой ω = f(M)

площади прямоугольника Оω₀аМ_ст. Чем ближе этот коэффициент к едини­це, тем большую производительность экскаватора может обеспечить привод. Следует также отметить особые ус­ловия, в которых протекает работа приводов экскаватора. Экскаваторы работают на открытом воздухе, по­этому в кузов и корпуса отдельных машин и аппаратов прони­кают пыль, грязь, влага и снег. Экскаватор, а следовательно, и все смонтированное на нем оборудование подвергаются меха­ническим воздействиям, возникающим вследствие различных препятствий при копании грунта, колебаний и вибраций отдель­ных частей экскаватора.

Вследствие тяжелых условий работы экскаватора должны быть предъявлены особые требования к механической и элек­трической прочности и конструктивной надежности всего элек­трического оборудования.

В заключение следует отметить, что двигатели, устанавли­ваемые на экскаваторах, предназначены для повторно-кратко­временного режима работы, т. е. для работы с частым чередо­ванием периодов включения и выключения. Однако обычные крановые двигатели, рассчитанные на работу в повторно-крат­ковременных режимах, имеют слишком малую нормированную продолжительность включения (15, 25 и 40 %). В условиях ра­боты одноковшовых экскаваторов продолжительность включения двигателей бывает значительно выше (50—80 %), поэтому для экскаваторов изготовляют двигатели специального экскаватор­ного типа, отличающиеся особенно высокой электрической и ме­ханической прочностью.

Системы электропривода

Для осуществления требуемых механических экскаваторных ха­рактеристик приводов главных рабочих механизмов одноков­шовых экскаваторов могут применяться следующие системы электропривода: асинхронный привод, генератор—двигатель с трехобмоточным генератором (ТГ—Д), генератор—двигатель с электромашинным усилителем (Г—Д с ЭМУ), генератор—дви­гатель с силовым магнитным усилителем (Г—Д с СМУ), гене­ратор—двигатель с электромашинным усилителем и промежу­точным магнитным усилителем (Г—Д с ЭМУ и ПМУ), генера­тор— двигатель с силовым и промежуточным магнитными усилителями (Г—Д с СМУ и ПМУ), генератор—двигатель с ти-ристорным возбудителем (Г—Д с ТВ), тиристорный преобразо­ватель—двигатель (ТП —Д).

Асинхронный привод. В качестве приводного двигателя при­меняются асинхронные двигатели с короткозамкнутой и фазной обмоткой ротора. Механические характеристики асинхронных двигателей мало подходят для привода экскаватора.

К недостаткам этого типа привода следует отнести громозд­кость и малую надежность аппаратуры управления.

Указанные недостатки ограничили в настоящее время об­ласть применения асинхронного привода экскаваторами неболь­шой мощности.

Привод по системе ТГ — Д. Получение экскаваторной харак­теристики в системе ТГ—Д достигается применением на генера­торе трех обмоток возбуждения: 1) обмотки независимого воз­буждения; 2) параллельной обмотки возбуждения, действующей согласно с первой; 3) последовательной обмотки возбуждения, включенной в главную цепь генератора и действующей на­встречу двум выше указанным обмоткам.

Обмотка независимого возбуждения является задающей, она получает питание от возбудителя. Управление приводом осу­ществляется с помощью командоконтроллера.

К основным недостаткам системы ТГ—Д относятся: сравни­тельно большая величина постоянной времени привода, что сни­жает его быстродействие; низкий коэффициент заполнения ха­рактеристики; значительные токи управления в цепи обмотки возбуждения генератора.

Система ТГ—Д применялась на экскаваторах СЭ-3, а также:на экскаваторах ЭКГ-4, ЭШ-5/45 и ЭШ-6/60 первых выпусков.

Привод по системе (Г—Д с СМУ). Принципиальная схема привода по системе Г—Д с СМУ приведена на рис. 12.4. В этой системе привода независимая обмотка генератора Г_н получает питание от силового магнитного усилителя СМУ, а управление приводом сосредоточено в цепи задающей обмотки 03 СМУ. Генератор имеет и шунтовую обмотку Г_ш, м. д. с. которой дей­ствует согласно с м. д. с. независимой обмотки Г_н. Таким обра­зом, в системе привода осуществлена положительная обратная связь по напряжению генератора и за счет этого уменьшается м. д. с. и ток возбуждения независимой обмотки Г_н генератора. В системе привода имеется и отрицательная обратная связь по напряжению генератора, которая создается обмоткой ОН СМУ.

Результирующая м. д. с. СМУ равна разности м. д. с. F₃ — F_n. Следовательно, чем меньше F_н, тем больше результирующая м. д. с. и тем больше напря­жение на выходе СМУ. Это в свою очередь вызывает уве­личение м. д. с. F_нг независи­мой обмотки возбуждения ге­нератора и, следовательно, увеличение напряжения гене­ратора. За счет отрицательной обратной связи по напряже­нию генератора повышается жесткость внешней характери­стики генератора и механиче­ской характеристики привода. Кроме того, отрицательная обратная связь дает возмож­ность осуществить форсировку возбуждения генератора при пуске привода. При пуске при­вода напряжение генератора мало, поэтому результирующая м. д. с. СМУ определяется в ос­новном м. д. с. F₃ задающей обмотки. Напряжение на выходе СМУ и на обмотке Г_и будет значительно больше напряжения при нормальной работе. Ток возбуждения и м. д. с. обмотки Г_н возрастают быстро.

По мере разгона привода (увеличения напряжения генера­тора) возрастает м. д. с. F_H и результирующая м. д. с. СМУ уменьшается до номинальной величины.

Форсировка возбуждения генератора дает возможность уменьшить длительность разгона привода и, следовательно, дли­тельность цикла экскавации.

Для получения экскаваторной характеристики привода в си­стеме Г—Д с СМУ имеется отрицательная обратная связь по току с отсечкой. Узел этой связи в схеме состоит из обмотки ОТ СМУ, источника напряжения сравнения £/_ср и сопротивле­ния R в цепи якорей генератора и двигателя. Рассмотрим действие этой обратной связи. Напряжение U_R, представляющее собой падение напряжения на сопротивлении R, при протекании тока якоря I_н (U_R = l_яR), направлено встречно напряжению сравнения U_cp. Таким обра­зом, ток в цепи обмотки ОТ определяется разностью этих двух напряжений U_R — U_cv. Но так как в цепи обмотки ОТ включен диод Д, то ток в обмотке может протекать только в направле­нии U_R. Если V_R<U_CV, ток в цепи обмотки ОТ не протекает и обратная связь по току не действует. При U_R>U_CV под дей­ствием напряжения ΔU=U_R — U_cp по обмотке ОТ протекает ток и создает м. д. с. F_T, направленную встречно м. д. с. задающей обмотки F₃. М. д. с. Ft: размагничивает СМУ, напряжение на выходе его резко уменьшается, что в свою очередь приводит

к уменьшению м. д. с. F_нг и напряжения генератора почти до нуля.

На рис. 12.5 приведена внешняя характеристика генератора системы Г—Д с СМУ. На участке характеристики U₀ а отрица­тельная обратная связь по току не действует, так как U_R = = I_я R<U_ср. В точке а вступает в действие обратная связь при токе отсечки I_отс, при этом U_R = I_отс R>U_ср. При стопорном токе I_ст напряжение генератора становится равным нулю.

Так как сопротивление R, к которому подключена обмотка ОТ, величина постоянная, то напряжение U_R зависит только от тока якоря I_я.

Ток отсечки I_отс и стопорный ток I_ст зависят от напряжения сравнения U_ср. Уменьшение напряжения сравнения вызывает уменьшение токов I_отс и I _ст (точки а” и I” _ст) и, наоборот, с уве­личением U_ср токи I_отс и I _ст возрастают (точки а" и I "ст). Та­ким образом, в системе привода Г—Д с СМУ при наладке при­вода довольно просто можно регулировать величину стопорного тока.

Достоинством привода по системе Г—Д с СМУ являются:

высокий коэффициент заполнения экскаваторной характери­стики;

высокое быстродействие привода, что уменьшает длитель­ность переходных процессов (разгона, реверса и торможения);

малый ток цепи управления задающей обмотки;

высокая надежность работы системы управления за счет со­кращения релейно-контакторной аппаратуры и применения ста­тических аппаратов — магнитных усилителей.

Система Г—Д с СМУ применяется на экскаваторах ЭКГ-4,6, ЭКГ-8И, ЭШ-5/45М, ЭШ-10/70.

Привод по системе Г — Д с ЭМУ. В этой системе привода в качестве возбудителя генератора используется электромашин­ный усилитель поперечного поля ЭМУ. Эта система отличается от системы Г—Д с СМУ только видом усилителя.

Система Г—Д с ЭМУ применялась на первых мощных экска­ваторах (ЭШ-14/75, ЭГЛ-15), но из-за присущих ей недостат­ков от нее отказались. К недостаткам этой системы относятся: наличие петли гистерезиса ЭМУ, которая обусловливает значи­тельную остаточную э. д. с. и, следовательно, появление остаточ­ных токов и «ползучих» скоростей; низкая стабильность работы ЭМУ и привода в целом; сложность наладки привода.

Привод по системе Г—Д с ЭМУ и ПМУ. В системе Г—Д с ЭМУ и ПМУ в значительной степени устранены недостатки системы Г—Д с ЭМУ, отмеченные выше.

В системе Г—Д с ЭМУ и ПМУ кроме электромашинного усилителя применяется еще и промежуточный магнитный усили­тель ПМУ.

Принципиальная схема привода по системе Г—Д с ЭМУ и ПМУ приведена на рис. 12.6.

В этой системе в качестве возбудителя генератора исполь­зуется электромашинный усилитель поперечного поля. Задаю­щая обмотка ЭМУ получает питание от промежуточного магнит­ного усилителя ПМУ.

Управление приводом осуществляется в цепи задающей об­мотки ПМУ (командоконтроллер КК и обмотка 03). ПМУ имеет обмотки отрицательной связи по напряжению ОН и по току ОТ. Как видно на рис. 12.4 и 12.6, цепи управления и обратных свя­зей аналогичны. Все, что было сказано о них при описании дей­ствия привода по системе Г—Д с СМУ, является справедливым и для системы Г—Д с ЭМУ и ПМУ. Внешние характеристики генератора системы Г—Д с ЭМУ и ПМУ аналогичны характери­стикам системы Г—Д с СМУ (см. рис. 12.5).

Система обладает недостатками, связанными с наличием в системе вращающихся усилителей — ЭМУ поперечного поля. Привод по системе Г—Д с ЭМУ и ПМУ применяется на некото­рых типах мощных экскаваторов (ЭКГ-8, ЭШ-14/75, ЭВГ-35/65).

Привод по системе Г—Д с СМУ и ПМУ. Для управления приводами мощных экскаваторов целесообразно использовать вместо электромашинного усилителя силовой магнитный усили­тель, оставив в системе привода и промежуточный усилитель, т. е. сделать систему Г—Д с СМУ и ПМУ.

Преимущества такой системы по сравнению с Г—Д с СМУ следующие: уменьшаются размеры силового магнитного усили­теля; возрастает коэффициент усиления при одновременном уве­личении быстродействия; уменьшаются размеры аппаратуры управления и элементов обратных связей; облегчается получе­ние сигнала обратной связи по току главной цепи.

Принципиальная схема системы Г—Д с СМУ и ПМУ приве­дена на рис. 12.7. Эта схема отличается от схемы привода по системе Г—Д с ЭМУ и ПМУ только усилителем второй ступени: вместо ЭМУ применен СМУ. В остальном схема, ее работа, на­значение отдельных элементов аналогичны схеме системы Г—Д с ЭМУ и ПМУ.

Замена ЭМУ силовым магнитным усилителем СМУ в зна­чительной степени повышает надежность работы привода экска­ватора.

Применение тиристорного управления электроприводами од­ноковшовых экскаваторов. Дальнейшее совершенствование си­стем электропривода идет по пути применения управляемых кремниевых вентилей (тиристоров) либо для питания обмоток возбуждения генераторов (система Г—Д с тиристорным возбу­дителем), либо для питания приводных двигателей (система тиристорный преобразователь — двигатель).

На рис. 12.8 показана структурная схема электропривода по системе Г—Д с тиристорным возбудителем ТВ. Особенностью этой системы является реверсивный тиристорный возбудитель ТВ, питающий обмотку возбуждения ОВГ генератора Г. Ток возбуждения регулируется изменением величины угла отпира­ния тиристоров при помощи блока управления БУ, который по­лучает управляющий сигнал от промежуточного усилителя ПУ.

В схеме предусматривается отрицательная обратная связь по скорости вращения, осуществляемая через тахогенератор ТГ.

Сигнал, пропорциональный частоте вращения двигателя, сравнивается в блоке сравнения БС с задающим сигналом U₃, определяющим величину установившейся скорости и направле­ние вращения двигателя. Ток нагрузки I_н ограничивается обрат­ной связью по току. Сиг­нал, пропорциональный току нагрузки, снимается с сопротивления R

Применение тиристор­ных возбудителей в электроприводах мощных экскаваторов дает воз­можность обеспечить ши­рокий диапазон регулиро­вания частоты вращения
двигателя, улучшить ус­тойчивость, повысить форсировку по напряжению генераторов и крутизну токовой отсечки и таким образом существенно улучшить статические и
динамические характеристики электроприводов.

Наиболее перспективным является применение тиристорного возбуж­дения генераторов и дви­гателей (система Г—Д с ТВ) для экскаваторов с ковшами емкостью 8 м³ и более, где устанавли­ваются электродвигатели мощностью от 500 до не­скольких тысяч киловатт. В настоящее время сис­тема Г—Д с ТВ приме­няется на экскаваторах ЭКГ-12,5, ЭШ-15/90 А. Для одноковшовых экскаваторов с ковшами емкостью до 5 м³, где мощность самых крупных электродвигателей не превы­шает 250 кВт, целесообразно применение привода по системе ТП-Д.

В настоящее время разработаны тиристорные приводы глав­ных механизмов экскаваторов ЭКГ-3,2 и ЭКГ-5. Имеются опыт­ные образцы экскаваторов ЭКГ-4,6, где привод основных меха­низмов осуществляется по системе ТП—Д.

На рис. 12.9приведена структурная схема тиристорного электропривода экскаватора ЭКГ-4,6 по системе ТП—Д. На экскаваторе ЭКГ-4,6 вместо пятимашинного преобразователь­ного агрегата (Г—Д) установлен тиристорный преобразова­тель. Установка преобразователя потребовала комплексной за­мены электрооборудования экскаватора.

Комплект установленного оборудования включает силовые тиристоры, систему импульсно-фазового управления, систему автоматического управления, силовой трансформатор, транс­форматоры собственных нужд, защитную, коммутационную и контрольно-измерительную аппаратуру.

Двухдвигательный привод поворота питается от отдельных тиристорных преобразователей ТПВ1 — ТПВ2, Обмотки возбуж­дения двигателей получают питание от двух выпрямителей В1 и В2, собранных по однофазной двухполупериодной схеме. Пи­тание тиристорных преобразователей, выпрямительных мостов и вспомогательных механизмов осуществляется от масляного силового двухобмоточного трансформатора Tpl мощностью 630 кВ • А. В преобразователях предусмотрена защита от токов к. з. автоматами А-3144 на стороне как переменного, так и по­стоянного тока.

Внедрение регулируемых тиристорных электроприводов вза­мен машинных преобразователей на одноковшовых экскавато­рах позволяет сократить расход электроэнергии, снизить дина­мические нагрузки в механизмах, улучшить условия труда машинистов экскаваторов и повысить их производительность.

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: