CC BY
59
means of mechanization of auxiliary operations
The features of the construction and implementation of object-oriented frequency in-ver ter drives the group to ensure implementation of requirements for electric drive power tools (PT) are considered. Designed converters have high operation and maintenance and energy characteristics, reliability and meet current standards of scientific and technological progress in the field of electric drives of PT.
Keywords: the converter of frequency, means of mechanization of auxiliary operations, system of the electric drive of cars.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:621/.69
Г.Я. Пятибратов, д-р техн. наук, проф., (8635) 25-52-10, G.Pyatibratov@mail.ru (Россия, Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ)), А.М. Борисов, канд. техн. наук, проф., (8635) 25-52-10, borisov74@chelkom.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ)
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ КОПАЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ
Показано, что внедрение быстродействующих полупроводниковых электроприводов экскаваторов способствует снижению потребления электроэнергии и повышению надёжности работы электротехнического оборудования. Обращается внимание разработчиков и изготовителей карьерных экскаваторов на возможность эффективного применения активных способов снижения динамических нагрузок в упругих передачах механизмов, сокращения отказов механического оборудования и увеличения производительности экскаваторов.
Ключевые слова: полупроводниковый электропривод, динамические нагрузки в упругих передачах механизмов, увеличения производительности.
Важным фактором повышения эффективности работы карьерных экскаваторов является совершенствование систем их электроприводов (ЭП) благодаря применению полупроводниковых преобразователей. Мировой опыт показывает, что в этом направлении наибольших успехов достигли экскаваторостроительные фирмы США. Фирма «Нарнишфегер» (« Harnishfeger») с середины 1970-х годов выпускает карьерные экскаваторы с тиристорными электроприводами постоянного тока главных механизмов, реализованных по системе ТП-Д. Фирма «Бюсайрус» («Bysyrus») с 1980 г. применяла на экскаваторах частотно-регулируемые приводы с системой АИТ-АД, а в последнее время - с использованием системы АИН (ШИМ)-АД.
В России в середине 1970-х годов НПО «Энергоцветмет» была выполнена работа по модернизации главных ЭП карьерных экскаваторов типа ЭКГ-4,6Б и ЭКГ-8И с заменой электромашинных преобразователей ти-
138
ристорными. В начале 1980-х годов ПО «Уралмаш» применил ЭП, реализованные по системе ТП-Д, на карьерных экскаваторах ЭКГ-20 и ЭКГ-20А.
В настоящее время в России созданы возможности по оснащению карьерных экскаваторов ЭКГ-5 и ЭКГ-10 электроприводами, реализованными по системе ТП-Д с использованием низковольтных комплектных устройств типа КЭР-05 и КЭР-10, выпускаемых АО «Рудоавтоматика» (г. Железногорск, Курской области), НКУ ЭКГ-10, изготавливаемых компанией «Объединённая энергия» (г. Москва), а также тиристорных преобразователей типа ЭПТЭ, предлагаемых ООО «КРУШ» (г. Новосибирск).
Выполненные исследования показали [1], что при достаточном быстродействии ЭП на него можно возложить дополнительную функцию -управление динамическими нагрузками механизмов экскаваторов благодаря измерению фактических значений моментов или усилий механических передач. Используемая для этих целей система управления динамическими нагрузками (СУДН) в механических передачах экскаваторов при резком увеличении динамических усилий препятствует возрастанию момента электродвигателя, ограничивает его до необходимых значений, и при необходимости, переводит ЭП в режим рекуперативного торможения.
В связи с появившейся возможностью применения на карьерных экскаваторах быстродействующих систем ЭП представляет интерес обобщить результаты экспериментальных исследований, полученные при внедрении СУДН на карьерных экскаваторах ЭКГ-4,6Б и ЭКГ-20А оснащённых тиристорными ЭП.
При создании СУДН копающих механизмов экскаваторов были решены следующие задачи:
- определены требуемые энергетические возможности ЭП и необходимое быстродействие СУДН [2];
- предложены рациональная структура и рекомендации по оптимизации параметров системы управления ЭП [3];
- созданы высоконадёжные бесконтактные магнитоупругие измерители крутящего момента (МИМ), предназначенные для установки на валы механизмов напора и подъема экскаваторов ЭГК-4,6Б и ЭКГ-20 [4];
- оценена эффективность применения предлагаемых технических решений при внедрении СУДН на действующих экскаваторах.
Экспериментальные исследования СУДН копающих механизмов были выполнены на карьерном экскаваторе ЭКГ-4,6Б (№2 5952), работающем на Коунрадском руднике (г. Балхаш) [5]. Главные электроприводы этого экскаватора оснащены тиристорными преобразователями типа КТП-2Э. Преобразователь имел две группы вентилей, включённых по встречно-параллельной схеме с раздельным управлением группами. Система управления ЭП построена по принципу подчинённого регулирования тока якоря и Э. Д.С. двигателя. Выпуск преобразователей КТП-2Э и модернизацию ЭП экскаватора ЭКГ-4,6Б осуществило НПО «Уралэнергоцветмет».
Выполненные на экскаваторе ЭКГ-4,6Б экспериментальные исследования показали, что низкочастотные составляющие резонансных колебаний усилий механизма напора имеет частоты от 0,8 до 2,3 Гц, а в механизме подъёма - от 0,45 до 1,2 Гц. При существующей настройке системы управления тиристорного ЭП с преобразователем КТП-2Э полоса равномерного пропускания частот замкнутого контура регулирования тока якоря составляет 65 рад/с, а контура регулирования Э.Д.С. двигателя около 15 рад/с. Магнитоупругий измеритель крутящего момента типа МИМ-140.3В1, расположенный на промежуточном валу механизма напора, при синусоидальном изменении крутящего момента с частотой 5, 34 Гц имел амплитудную ошибку 12-15 %, а фазовую 33-36 эл. град. [4]. Полученные результаты исследований подтвердили, что быстродействие тиристорного ЭП и динамические свойства МИМ позволяют реализовать эффективно работающую СУДН.
Для реализации СУДН в схему управления тиристорного ЭП механизма напора экскаватора ЭКГ-4,6Б был введен дополнительный канал регулирования момента в упругих элементах (УЭ) механических передач. Этот канал состоял из магнитоупругого измерителя крутящего момента типа МИМ-140.3В1 и регулятора момента в упругом элементе (РМУ), реализованного в виде дифференцирующего звена первого порядка, включенного на вход регулятора тока якоря двигателя [5].
Выполненные экспериментальные исследования, показали, что при отключённом регуляторе момента в упругом элементе (РМУ), в режимах жесткого стопорения ковша коэффициенты динамичности Кд , характеризующие нагрузки в механических передачах экскаватора ЭКГ-4,6Б, имеют значения: для механизма напора Кщ = 3,3-3,4; для механизма подъема Кщ = 2,2. Включение дифференцирующего РМУ в систему управления ЭП механизма напора позволило уменьшить коэффициент динамичности с 3,1 до 1,7.
Обработка 50 осциллограмм режимов черпания горной массы показала, что введение РМУ в систему ЭП напора привело к уменьшению коэффициента динамичности в среднем с 2,47 до 1,8, снизило максимальные значения тока в среднем с 1,35 до 1,17 от стопорного значения и сократило время черпания грунта в среднем с 6,4 с до 5,4 с.
Анализ осциллограмм, на которых фиксировался крутящий момент промежуточного вала механизма подъёма, показал, что включение РМУ в ЭП механизма напора приводит к снижению нагрузок и в механизме подъёма. Например, в режиме черпания горной массы произошло уменьшение Кдп в среднем с 1,83 до 1,6.
Взвешивание думпкаров с рудой показало, что при работе экскаватора с СУДН механизма напора средний вес наполненного ковша увеличился с 6,4 до 6,6 т.
Машинисты отметили при включении РМУ более «мягкую» работу механизма напора экскаватора.
Экономический эффект от применения СУДН на экскаваторе ЭКГ-4,6Б получен от повышения производительности экскаватора за счёт уменьшением продолжительности черпания горной массы и увеличением наполнения ковша, снижения расходов на ремонты механического оборудования и увеличения срока службы деталей. С учётом сокращения длительности черпания и увеличения наполнения ковша повышение технической производительности экскаватора составило в среднем 7,8 %. Дополнительный эксплуатационный выигрыш от внедрения СУДН проявился в том, что практически полностью прекратились отключения ЭП напора вследствие срабатывания максимальной токовой защиты. Последние при отсутствии СУДН происходили 5-6 раз за время загрузки одного состава думкаров [5] .
В начале 1980-х годов ПО "Уралмаш" приступил к выпуску карьерных экскаваторов типа ЭКГ-20, предназначенных для проведения вскрышных работ при разработке угольных разрезов открытым способом. До 1992 г. было изготовлено 20 таких машин, которые эксплуатировались в тяжелых условиях Якутии и Восточной Сибири. Впервые в России карьерные экскаваторы выпускались с силовым тиристорным ЭП копающих ма-низмов, что позволило реализовать активные способы ограничения динамических нагрузок. Для этого при разработке узлов моторных валов экскаватора ЭКГ-20 была предусмотрена возможность прямо на заводе встраивать в механизм напора магнитоупругие преобразователи крутящего момента типа МИМ-110.02. При реализации СУДН в структуру ЭП была введена обратная связь по моменту в упругом элементе (УЭ) механизма напора, измеряемого с помощью МИМ. Выходной сигнал датчика момента в УЭ подавался на РМУ, а с него вводился на дополнительные входы регуляторов тока обоих электродвигателей механизма напора. В структуру РМУ входили два дифференцирующих звена, выходной избирательный фильтр и узел регулирования зоны нечувствительности, что позволяло реализовывать различные законы управления динамическими усилиями механизма напора экскаватора.
Результаты промышленных испытаний СУДН в передачах копающих механизмов экскаваторов ЭКГ-20А, работающих в ПО «Якутуголь» и ПО «Кемеровоуголь», представлены в отчёте [6].
Система управления динамическими нагрузками механизма напора экскаватора ЭКГ-20А № 16, работающего в условиях Нерюнгринского угольного разреза, была введена в действие в 1987 г. Следует отметить, что важность применения СУДН на этом и последующих экскаваторах была повышена, так как было принято решение отказаться от применения в механизме напора муфты предельного момента, выполняющей функцию ограничения нагрузок.
Эффективность работы экскаватора ЭКГ-20А № 16 с РМУ в механизме напора определялась с октября 1987 г. по сентябрь 1989 г. путём сравне-
нием его месячной выработки со средней выработкой работающих в таких же условиях пяти экскаваторов, не оснащенных СУДН. Анализ данных за два года эксплуатации экскаваторов ЭКГ-20 показал, что средняя месячная выработка экскаватора № 16 составила 354 тыс. м , что на 24,2 % превысило среднюю выработку остальных экскаваторов, равную 285 тыс. м . Относительная средняя часовая выработка экскаватора № 16 за этот же период наблюдения по сравнению с другими экскаваторами составила 108 %. Эти данные показали, что существенное повышение производительности экскаватора, оснащённого СУДН, было достигнуто в основном благодаря уменьшению количества отказов механического оборудования и сокращению простоев экскаватора.
Промышленные испытания СУДН на экскаваторах ЭКГ-20А № 17 и № 18 проводились в 1988 - 89 гг. на разрезе "Красногорский" (г. Междуре-ченск, Кемеровской обл.). Исследования выполнялись при жестком стопо-рении ковша и в режиме черпания грунта. Анализ полученных осциллограмм показал, что в исходной системе ЭП без РМУ в режиме жесткого стопорения ковша в механических передачах напора экскаваторов возникают динамические нагрузки, характеризуемые КдН = 1,3... 1,6 (машина № 17) и КдН = 1,12.1,50 (машина №18). При черпании грунта за один цикл наблюдалось от 3 до 5 превышения моментом в УЭ механизма напора стопорных значений. При этом на машине № 17 значение Кдн = 1,9 , а на машине №18 значение Кдн = 1,75.
Анализ осциллограмм режима копания экскаваторов № 17 и № 18, оснащенных СУДН, показал уменьшение среднего значения пиковых моментов в механизме напора соответственно на 33 и 43 %, а наибольших моментов на 69 и 98 %. Повышенная эффективность работы СУДН на экскаваторе ЭКГ-20А №18 объясняется более высоким значением коэффициента усиления РМУ.
Следует отметить, что эффект от применения СУДН на экскаваторах ЭКГ-20А мог быть ещё более значительным, однако этому помешали:
- гибкие обратные связи по напряжению и току двигателя, имеющиеся в структуре ЭП, что уменьшало темп изменения тока якоря двигателя;
- большая бестоковая пауза тиристорных преобразователей, достигающая значений 0,2-0,4 с, что уменьшало значения рекуперативного тока при необходимости интенсивного ограничения динамических нагрузок механизмов.
В целом экспериментальные исследования и длительная работа СУДН в условиях промышленной эксплуатации карьерных экскаваторов типов ЭКГ-4,6Б и ЭКГ-20А подтвердили эффективность уменьшения динамических нагрузок в передачах механизма напора. При этом было установлено, что предельно достижимый эффект уменьшения нагрузок копающих механизмов экскаваторов может ограничиваться допустимыми
значениями и скоростью изменения тока ЭП, быстродействием его системы управления и инерционностью используемых датчиков измеряющих реальные нагрузки в УЭ механических передач. Допустимые значения и скорость изменения тока зависят от коммутационной и перегрузочной способности электродвигателя. Поэтому наметившаяся тенденция применения на карьерных экскаваторах частотно-регулируемых приводов с асинхронными и синхронными электродвигателями может существенно повысить эффективность активных способов управления динамическими нагрузками.
Выводы
1. Выполненные исследования и промышленная эксплуатация систем управления динамическими усилиями в упругих механических передачах копающих механизмов экскаваторов типа ЭКГ-4,6Б и ЭКГ-20А оснащённых тиристорным электроприводом показали возможность снижения максимальных значений динамических нагрузок в 1,7-2 раза, увеличения средней часовой производительности экскаваторов на 7...8 % и среднемесячной их выработки в среднем на 24 %.
2. Начавшееся в настоящее время в России серийное производство быстродействующих силовых полупроводниковых электроприводов карьерных экскаваторов позволяет эффективно применять системы управления динамическими нагрузками в передачах копающих механизмов, что повысит надёжность работы механического оборудования, сократит не запланированные простои экскаваторов и обеспечит существенный дополнительный экономический эффект.
Список литературы
1.Пятибратов Г.Я. Возможности применения электроприводов для активного ограничения колебаний упругих механических передач //Изв. вузов. Электромеханика. 1990. № 10. С. 89-93.
2.Пятибратов Г.Я. Определение требуемых энергетических показателей электропривода при активном ограничении колебаний в передачах механизма //Изв. вузов. Электромеханика. 1988. № 12. С. 69-75.
3.Пятибратов Г.Я. Построение систем управления электроприводами, обеспечивающих ограничение динамических нагрузок в механических передачах рабочих машин //Изв. вузов. Электромеханика. 1979. № 8. С.709-713.
4.Левинтов С.Д., Пятибратов Г.Я., Головин В.С. Магнитоупругие измерители крутящего момента на валах механизмов экскаваторов //Изв. вузов. Горный журнал. 1979. № 11. С. 106-110.
5. Ограничение динамических нагрузок в механизме напора карьерного экскаватора ЭКГ-4,6Б/ Г.Я. Пятибратов [и др.]//Изв. вузов. Горный журнал. 1980. № 10. С. 92-95.
6. Внедрение и испытание систем регулирования нагрузок и устройств взвешивания горной породы на карьерных и шагающих экскаваторах (ЭКГ-20; ЭШ.20.90): Отчет о НИР /ЧПИ. № ГР 01880040550; Рук. А.М. Борисов. Челябинск, 1990. 310 с.
G. Puatibratov, A. Borisov
Increase of efficiency of application of high-speed electric drives of digging mechanisms of career dredges
It is shown, that adaptation offast semiconductor electric drives of power shovels contributes to energy saving and improves the operational reliability of electrical equipment. The objective is to draw attention of mining shovel developers and manufacturers to the opportunity of efficient use of active control methods for dynamical loads of digging mechanisms. It will improve the reliability of mechanical machinery and increase the performance capacity of shovels.
Keywords: the semi-conductor electric drive, dynamic loadings in elastic transfers of mechanisms, productivity increases.
Получено 06.07.10
УДК 621.771.3
С.Н. Басков, канд. техн. наук, доц., (3519) 22-45-87, sbaskov@mail.ru (Россия, Новотроицк, Новотроицкий филиал НИТУ "МИСиС"), М.Н. Давыдкин, асп., (3519) 29-85-29,
maksimdavydkin@rambler.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ), А.С. Коньков, асп., (3519) 22-45-87, konkov2010@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ)
УСТРОЙСТВО ПЛАВНОГО ПУСКА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВЕКТОРНО-ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Рассмотрен способ пуска синхронного двигателя, основанный на импульсном подключении статора двигателя к питающей сети в моменты, когда положения векторов потокосцепления статора и ротора формируют положительный пусковой момент. Представлены принципиальная схема экспериментальной установки, алгоритм ее работы и результаты экспериментов.
Ключевые слова: ударные токи, электромагнитные и механические ударные нагрузки, высоковольтные электродвигатели.
При прямом асинхронном пуске синхронного двигателя в цепи статора возникают ударные токи, которые могут превосходить номинальные в 7 - 14 раз. Эти броски тока вызывают большие электромагнитные и механические ударные нагрузки на двигатели и исполнительные механизмы. Многократные ударные нагрузки приводят к выходу из строя дорогостоящего технологического оборудования и к значительным затратам на его
