9. Структуры систем управления электроприводами горных машин. Анализ структур систем управления электроприводами.

Основными механизмами одно­ковшовых экскаваторов являются механизмы подъема, напора (тяги) и поворота, обеспечивающие в рабочем процессе переме­щение ковша по требуемым пространственным траекториям. Механизмы хода экскаватора-лопаты и шагания экскаватора-драглайна в рабочем цикле не участвуют, а предназначаются для передвижения машины в новое положение после выработ­ки забоя в пределах, определяемых размерами рабочего обору­дования. При передвижении электроприводы основных меха­низмов отключаются и затормаживаются механическими тор­мозами. Таким образом, механизмы хода и шагания играют важную, но для рабочего процесса вспомогательную роль.

Кроме того, на экскаваторах средней и большой производи­тельности имеется ряд других вспомогательных электроприво­дов. К их числу относятся электропривод компрессора, ко­торый автоматически поддерживает требуемое давление возду­ха для управления механическими тормозами главных приво­дов; двигатели вентиляторов кузова экскаватора и охлаждения электрических машин; приводные двигатели преобразова­тельных агрегатов. Для облегчения монтажа машины и ее ре­монтов экскаваторы оборудуются монтажными лебедками, та­лями, а в машинных залах крупных экскаваторов с емкостью ковша выше 6 м³ обычно устанавливается мостовой кран необ­ходимой грузоподъемности. Нетрудно видеть, что эти меха­низмы являются типовыми общепромышленными механизма­ми и здесь дополнительного рассмотрения их электроприводов не требуется.

Производительность одноковшового экскаватора обеспечи­вается требуемой мощностью его главных электроприводов и их необходимыми статическими и динамическими характери­стиками. Хотя режимы работы основных механизмов экскава­торов аналогичны рабочим режимам крановых механизмов, а аналогия экскаваторов с поворотными стреловыми кранами очевидна, необходимость осуществления дополнительных бо­лее сложных пространственных манипуляций с рабочим орга­ном в процессе черпания грунта и его транспортировки требует более высокой управляемости электроприводов и повышения точности регулирования основных переменных. Общие требо­вания к электроприводам машин типа командных манипулято­ров, сформулированные, справедливы как для кра­нов, так и для экскаваторов, однако для экскаваторов их количественные характеристики выше, а условия реализации сложнее.

Электрооборудование экскаватора эксплуатируется в весьма тяжелых условиях тряски, вибраций, ударов, большой запылен­ности, повышенной влажности, при широких пределах измене­ния температуры окружающей среды. Электроприводы ос­новных механизмов работают в интенсивном повторно-кратко­временном режиме, с большой частотой включений, при изменяющейся в широких пределах нагрузке на валу двигате­лей, с систематическими перегрузками электроприводов меха­низмов, участвующих в процессах черпания грунта, при высо­кой вероятности тяжелых перегрузок вплоть до стопорения этих электроприводов. Для основных механизмов экскаваторов характерно существенное влияние упругих механических свя­зей, зазоров в передачах и рабочем оборудовании, а также кинематических погрешностей передач электропривода по­ворота.

Электроприводы основных механизмов экскаваторов с ем­костью ковша до 10 м³ имеют мощности, измеряемые сотня­ми, а свыше 10 м³ — тысячами киловатт, что определяет суще­ственное влияние энергетических показателей системы электро­привода на удельный расход энергии на кубометр вынутого грунта; при этом следует иметь в виду, что экскаваторы рабо­тают в полевых условиях и получают питание от электрических сетей ограниченной мощности. Если к перечисленному доба­вить отмеченную выше необходимость повышенной управляе­мости приводов, можно заключить, что по сложности требова­ний к электроприводу экскаваторы среди рассматриваемых производственных механизмов занимают одно из первых мест.

Анализ общих требований к электро­приводу машин, управляемых оператором, а также анализ ре­жимов и условий работы экскаваторных электроприводов по­зволяет сформулировать 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 работа, 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 м³ 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 но 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 командокон-троллера 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. Анализ свойств двухконтурной структуры 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. Кроме того, структура СПРК, требует применения тахогенератора и рассчитана на реализацию регуляторов с помощью элемен­тов УБСР, в то время как на экскаваторах в связи с тяжелыми условиями эксплуатации представляют особый интерес более простые и надежные схемные решения, но сохраняющие пре­имущества систем подчиненного регулирования.

С учетом этого для экскаваторных электроприводов разра­ботана унифицированная структура, представленная на рис. 3-24. 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 Т_и. Следовательно, постоянная якоря Т_я пред­полагается некомпенсируемой. Сигналы задания тока щ _т и от­рицательной обратной связи по току якоря U_от = К_от*I_я 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, и работа контура регулирования тока не имеет отличий от рас­смотренной в СПРК. Однако в легких переходных процессах пу­сковой ток уменьшается, разность U_зт - К_от*I_я возрастает и до­стигает порогового значения. При этом усилитель 30 «насы­щается» и работает как звено ограничения, подавая на вход регулятора тока постоянный сигнал.

где е_доп— допустимое ускорение двигателя.

Электродвижущая сила е_п 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 U_зт – U_от 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) Uз_н, и сигнал обратной связи по напряжению U_он 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 U_пт. Если поло­жительная связь по току подается на вход РН с коэффициен­том к_пт = 1/к_рн где к_рн — коэффициент усиления регулятора на­пряжения, то при работе РН в пределах линейной части своей характеристики его выходное напряжение U_зт 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 отмеченная в СПРК 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, как и регулятор скорости в схеме, насыщен и вы­дает на выходе постоянное напряжение U_зт = U_зтmax= const. Тем самым прекращается действие отрицательной связи по на­пряжению и положительной связи по току — система работает как одноконтурная система регулирования тока, так же как и в схеме на рис. 2-27.

Интегральный регулятор тока не компенсирует постоянную времени якорной цепи Т_я. За счет этого суммарная некомпенси-руемая инерционность Т_ц = Т_п + Т_я 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 хо-

лостого хода (при разомкнутой якорной цепи). 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. Настройка контура напряже­ния по режиму холостого хода применима лишь к схеме, при­веденной на рис. 3-24, 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. 3-25, а.

Передаточная функция объекта регулирования тока

где к_зо, к_п— коэффициенты усиления соответственно звена ограничения 30 и преобразователя П;

В соответствии с рассмотренным выше методом последова­тельной коррекции примем, что передаточная функция регуля-

тора тока должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы по­лучить передаточную функцию разомкнутого контура тока

вида

где Т_от— постоянная интегрирования контура тока.

По аналогии с (2-69) определяется передаточная функция ре­гулятора тока

Рассматривая это уравнение, 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

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. Так, для критического демпфирования (гра­ничного случая апериодического процесса при равенстве ди­скриминанта нулю) можно найти следующее условие: a^’_т.опт,=2*корень(а_т) откуда

Если выбрать а_т = 4, то в соответствии с уравнением Т_т = 0, что соответствует случаю чисто последовательной коррекции. При а_л < 4 Т_т не равно 0. т. е. для получения требуемого качества процесса необходимо вводить гибкую связь по регулируемой величине. Так как Т_0|Т = а_гТ_м, 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 а_т.опт из условия получения минимума допустимого значения ΔI_ω. Подставляя найденное та­ким образом значение а_топт в уравнение, определяем постоянную гибкой связи по току Топт. обеспечивающую апериодический характер процессов.

Максимальное- выходное напряжение звена ограничения 30 вычисляется как и ранее.

Структурная схема контура регулирования напряжения в ре­жиме холостого хода с учетом полученной передаточной функ­ции регулятора тока представлена на рис. 3-25, б. Как и ранее,

Передаточная функция замкнутого контура регулирования напряжения

Полученная передаточная функция аналогична выведенной ранее и обес­печивает те же возможности настройки путем подбора значе­ний а^'_н, а_н и Г_н, 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 Тн=О 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.