12.4. 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. 12.9 приведена 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.