Устройство управления электроприводом экскаватора

 

Сущность изобретения: устройство содержит командоаппарат 1, сумматор 2, датчик 4 питающего напряжения, регулятор 5 питающего напряжения, датчик 6 напряжения возбуждения, регулятор 7 напряжения возбуждения, суммирующий магнитный усилитель 8, генератор 9, двигатель 10, датчик 11 тока, датчик 12 скорости, коммутирующий ключ 13,датчик 14 тока нагрузки, регулятор 15 снижения динамических нагрузок . 1 з.п. ф-лы. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Е 02 F 9/20

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4790287/03 (22) 12.02.90 (46) 15,05.92. Бюл. № 18 (71) Красноярский политехнический институт (72) В,П.Кочетков (53) 622.325(088.8) (56) Чиликин М.Г. и др. Теория автоматизированного электропривода. M. Энергия, 1979, с, 288-290.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1432150, кл. E 02 F 9/20, 1988.,, Я2, „1733577A1 (54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ЭКСКАВАТОРА (57) Сущность изобретения: устройство содержит командоаппарат 1, сумматор 2, датчик 4 питающего напряжения, регулятор 5 питающего напряжения, датчик 6 напряжения возбуждения, регулятор 7 напряжения возбуждения, суммирующий магнитный усилитель 8, генератор 9, двигатель 10, датчик 11 тока, датчик 12 скорости, коммутирующий ключ 13,датчик 14 тока нагрузки, регулятор 15 снижения динамических нагрузок. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1733577

Изобретение относится к управлению горной техникой, а именно к управлению электроприводами механизмов одноковшовых экскаваторов, в которых требуется ограничение токов, возникающих в режимах с управляющими и возмущающими воздействиями, и может быть использовано для управления электроприводами других горных машин.

Известны устройства управления, представляющие в качестве системы регулирования или один суммирующий усилитель, соединенный с датчиками тока и скорости, или двухконтурную систему подчиненного регулирования с внутренним контуром тока, представляющим регулятор тока и датчик тока, и внешним контуром скорости, cocTQящим из регулятора скорости и датчика скорости.

Недостатком первого устройства управления является то, что в режимах стопорения ковша, характерных для копающих механизмов, и в режимах пуска, торможения и реверса многодвигательных приводов при наличии зазоров в кинематических передачах, что характерно для поворотных механизмов, динамические выбросы тока превышают его стопорное значение в 1,31.7 раза, что является причиной разрушения электромеханического оборудования.

Недостатком второго устройства управления является недостаточно эффективное снижение коэффициента динамичности механизма для приводов копающих механизмов в режиме жесткого стопорения ковша, что приводит к снижению производительности и надежности экскаватора.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство управления, состоящее из последовательно соединенных командоаппарата, сумматора и электропривода, регулятора снижения динамических нагрузок, содержащего два интегратора, два инвертирующих усилителя и коммутирующий элемент, датчики тока и скорости двигателя.

Датчик тока соединен с первым входом регулятора, который через замыкающий контакт коммутирующего элемента соединен с первым входом первого интегратора, в обратной связи которого включен первый инвертирующий .усилитель, датчик скорости соединен с вторым входом регулятора, выход которого соединен с вторым входом сумматора, датчик тока нагрузки, первый вход которого соединен с датчиком тока, а второй — с датчиком скорости, а выход — с коммутирующим ключом, а также последовательно соединенные датчик температуры, пороговый элемент и нелинейность типа отсечки. второй вход которой соединен с вы5

55 ходом датчика тока, а выход соединен с третьим входом сумматора, причем выход первого интегратора регулятора снижения динамических нагрузок соединен через второй интегратор с своим входом и через усилитель — с выходом регулятора.

Недостатком устройства является невысокий уровень быстродействия, что в электроприводах главных механизмов с системой суммирующий магнитный усилитель — генератор — двигатель (СМУ вЂ” à — Д), которыми оборудованы в- СССР 80 парка экскаваторов, является очень существенным, Цель изобретения — повышение производительности экскаватора эа счет увеличения быстродействия устройства управления, Поставленная цель достигается тем, что в устройство комбинированного управления электроприводом экскаватора, содержащее командоаппарат, выход которого подключен к первому входу сумматора. датчик температуры, выход которого через пороговый элемент подключен к первому входу нелинейного элемента, выход которого подключен к второму входу сумматора, датчик тока. двигателя, выход которого подключен к второму входу нелинейного элемента и к первому входу датчика нагрузки. выход которого подключен к входу коммутирующего ключа, датчик скорости подключен к второму входу датчика нагрузки, датчик тока двигагеля через замыкающий контакт коммутирующего ключа подключен к первому входу регулятора снижения динамических нагрузок, а первый выход регулятора подключен к третьему входу сумматора, дополнительно снабжено датчиком напряжения возбуждения, регулятором напряжения, регулятором напряжения возбуждения, магнитным усилителем возбуждения генератора, размыкающим контактом коммутирующего ключа и датчиком напряжения, выход которого подключен к первому входу регулятора напряжения, к второму входу которого подключен сумматор. а выход регулятора напряжения подключен к первому входу регулятора напряжения возбуждения, к второму входу которого подключен датчик напряжения возбуждения, а выход регулятора напряжения возбуждения подключен к входу магнитного усилителя возбуждения генератора, причем датчик скорости через размыкающий контакт коммутирующего ключа подключен к второму входу регулятора снижения динамических нагрузок, а второй выход регулятора снижения нагрузок подключен к четвертому входу сумматора, 1733577

30 ния, в котором регулятор питающего напря- 40 жения компенсирует постоянную времени, генератора. Таким образом, появляется возможность максимально увеличить быстродействие системы CMY — à — Д и в конеч45

55 причем регулятор снижения динамических нагрузок содержит два интегратора, три инвертирующих усилителя и неинвертирующий; усилитель, при этом выход первого интегратора подключен через первый инвертирующий усилитель к его входу и непосредственно к неинвертирующему усилителю, а второй вход первого интегратора является первым входом регулятора, вторым входом которого является вход второго инвертирующего усилителя, выход которого является первым выходом блока, вторым выходом .которого является выход неинвертирующего усилителя, а выход первого интегратора через третий инвертирующий усилитель подключен к входу второго интегратора, выход которого подключен к третьему входу первого интегратора.

Предлагаемое устройство характеризуется оптимизацией управляющего воздействия путем минимизации квадратичных отклонений скорости от установившихся значений и подключении оптимальной обратной связи по скорости при управляющем воздействии. При превышении током нагрузки порогового значения отключается оптимальная обратная связь по скорости и подключается обратная связь по току к регулятору ограничения динамических нагрузок, в результате чего минимизируются . отклонения тока от установившегося значения. Кроме того, постоянно подключена двухконтурная система подчиненного регулирования питающего напряжения, которая включает внутренний контур регулирования, в котором регулятор напряжения возбуждения компенсирует постоянную времени магнитного усилителя, и внешний контур регулирования питающего напряженом счете надежнее ограничить динамические нагрузки.

На чертеже представлена структурнофункциональная схема комбинированной системы управления экскаваторным электроприводом.

Устройство содержит командоаппарат

1, соединенный ссумматором 2,,выход которого соединен с двухконтурной системой

3 подчиненного регулирования (СПР) питающего напряжения. состоящей из внешнего контура регулирования с датчиком 4 питающего напряжения, соединенного с регулятором 5 питающего напряжения, и внутреннего контура напряжения возбуждения, представляющего последовательно соединенные датчик 6 напряжения возбуждения, регулятор 7 напряжения возбуждения и суммирующий магнитный усилитель 8.

Выход сумматора 2 соединен с вторым-вхо5 дом регулятора 5- питающего напряжения, выход суммирующего магнитного усилителя

8 соединен с генератором 9, последний соединен с двигателем 10 привода, Датчики тока 11 и скорости 12 соединены соответственно с замыкающим 13 и размыкающим 13 контактами коммутирующего ключа 13. Датчик 14 тока нагрузки соединен своими входами с датчиками тока 11 и скорости 12, а выходами — с коммутирующим ключом 13, замыкающий и размыкающий контакты которого соединены соответственно с первым и вторым входами регулятора 15 снижения динамических нагрузок, который состоит из двух интеграторов 16 и 17, трех инвертирующих усилителей 18 — 20 и одного неинвертирующего усилителя 21. Первый вход регулятора 15 соединен с первым входом первого интегратора 16, в цепи обратной связи которого включен первый инвертирующий усилитель 19. Выход первого интегратора 16 через усилитель 21 соединен с первым выходом регулятора 15 и через третий инвертирующий усилитель 20 — с входом второго интегратора 17, выход последнего соединен с третьим входом первого интегратора 16. Второй вход регулятора 16 соединен с вторым инвертирующим усилителем 18, выход которого соединен с вторым выходом регулятора 15. Первый вы5 ход регулятора 15 соединен с вторым входом сумматора 2, а второй выход регулятора

15 соединен с третьим входом сумматора 2.

Кроме того, устройство содержит последовательно соединенные датчик 22 температуры (перегрева), пороговый элемент 23 и нелинейность типа отсечки 24, выход которой соединен с четвертым входом сумматора 2, а второй вход соединен с выходом датчика 11 тока.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал напряжения возбуждения с датчика 6 напряжения возбуждения поступает в регулятор 7 напряжения возбуждения, который компенсирует постоянную времени магнитного усилителя 8. Задающим сигналом для- регулятора 7 напряжения является выходной сигнал с регулятора 5 питающего напряжения. Сигнал питающего напряжения с датчика 4 питающего напряжения поступает в регулятор 5 питающего напряжения, который компенсирует постоянную времени генератора. Задающим сигналом для регулятора 5 питающего напряжения является сигнал с командоап1733577 парата 1, который поступает в сумматор 2, а затем в регулятор 5 питающего напряжения. Таким образом, система 3 подчиненного регулирования питающего напряжения, представляющая двухконтурную систему подчиненного регулирования, осуществляет последовательную коррекцию напряжения возбуждения, обеспечивая максимально возможное быстродействие нарастания питающего напряжения, которое еще .зависит от коэффициента форсировки магнитного усилителя.

На основании методики расчета систем подчиненного регулирования на "технический оптимум" передаточная функция регулятора напряжения возбуждения

TMvp + 1

Wpae(P) =; Тн1 - 2ТИ КмуКонв

ТН1 р где Тму — постоянная времени магнитного усилителя;

Ти — некомпенсируемые постоянные времени;

Кму — коэффициент усиления магнитного усилителя, Кона — коэффициент передачи датчика напряжения возбуждения.

Передаточная функция регулятора питающего напряжения чч...(р) =

Tr p+1

Тнг р

; Тн2 = 4Ти КтКон; где Тг — постоянная времени генератора;

Кг — коэффициент усиления генератора;

K« — коэффициент передачи датчика питающего напряжения..

Таким образом, и регулятор напряжения возбуждения, и регулятор питающего напряжения являются пропорциональноинтегральными регуляторами (ПИ-регуляторы). В том случае, если значение тока нагрузки не превышает заданного, коммутирующий ключ не срабатывает, его размыкающий контакт 13 замкнут в цепи второго инвертирующего усилителя 18 регулятора снижения динамических нагрузок 15. Сигнал скорости с датчика 12 скорости, проходящий на второй вход регулятора 15, и усиленный в число раз, определяемое коэффициентом оптимальной обратной связи по . скорости, во втором инвертирующем усилителе 18, поступает в сумматор 20,где суммируется с задающим сигналом с командоаппарата 1.

Коэффициент оптимальной обратной связи по скорости определяется следующим образом. При управляющем воздействии, пренебрегая некомпенсируемыми постоянными времени в электромагнитной постоянной времени, которое почти на два порядка меньше, чем электромеханическая постоянная времени, может представить математическое описание одномассовой электромеханической системы в виде х = -a»x+ bu;

5 С2 с К„

a» —, b=

i+Ra а где с — конструктивная постоянная двигатеr1A i

l — суммарный момент инерции;

R4 — активное сопротивление якорной цепи;

Кн — коэффициент усиления замкнутого контура питающего напряжения; х — cKopocT

u — управляющее воздействие.

Критерий оптимальности — минимизация квадратичных отклонений скорости от установившегося значения при минимуме расхода энергии управления !

1=,/ (x + u2)dt.

Используем метод динамического программирования, Уравнение Беллмана примет вид

25 " г г дч

min(x + u + (— a»x+ bu))=0. дх

Взяв производную по уравнению, определим оптимальное управление

Ь д

30 2 д

Задавая функцию Беллмана в виде ч = y x, оптимальное управление

u<> =-bó» х.

Подставляя в выражение в квадратных скоб35 дч ках д 2 ух, получим х — b у х — 2 уа»х =О. г г г г г

Решив последнее уравнение и проведя несложные преобразования, получим коэффи40 циент оптимальной обратной связи по скорости (коэффициент усиления инвертирующегр уеилителя 18).

В случае, если значение тока нагрузки превышает заданное. срабатывает коммутирующий ключ 13, размыкается размыкающий контакт 13 в цепи второго

50 инвертирующего уСилителя 18 регулятора

15 и разрывается оптимальная обратная связь по скорости. Замыкающий контакт коммутирующего ключа 13 подключает обратную связь по току к аналитически конст55 руируемому оптимальному регулятору (АКОР). На выходе AKOP (первый выход регулятора 15) получается сигнал оптимального управляющего воздействия по току в результате усиления в усилителе 21 сигнала первой внутренней координаты с выхода

1733577

10 с x1 = — а11х1 — а1гх2+ bu х2 =- а21Х1

1, с. c . . <н, а11=, а12 = —. а21 = —. Ь = . 4

T. С -iz -С

Система уравнений связи, определяющая структуру AKOP имеет следующий вид 1 = а11 1 1 а21 Л2 + х1 2 = а12 1 4

В том случае, если температура двигателя с датчика 22 температуры превышает заданное значение, определяемое пороговым элементом 23 на нелинейном элементе типа отсечки 23, происходит сложение сигналов 5 с выхода порогового элемента 23 и датчика

11 тока. Если сумма превышает значение, определяемое в нелинейном элемен ге 23, то сигнал поступает на сумматор 2 и происходит снижение тока якоря. 55

Наличие системы подчиненного регулирования питающего напряжения позволяет увеличить быстродействие нарастания напряжения, питающего якорь двигателя, как форсирующего интегратора 16, за счет наличия в обратной связи интегратора 16 инвертирующего усилителя 19 с коэффициентом усиления, равном величине, обратной электромагнитной постоянной времени(коэффициент а11), в число раз, равное отношению коэффициента усиления замкнутого контура питающего напряжения к индуктивности якорной цепи (коэффициент b). Сигнал первой внутренней координаты получают в результате форсированного интегрирования сигнала тока якорной цепи и сигнала второй внутренней координаты.

Сигнал второй внутренней координаты с выхода второго интегратора 17 получают в результате интегрирования сигнала первой внутренней координаты, усиленной в третьем инвертирующем усилителе 20 в число раз, равное отношению квадрата конструктивной постоянной к произведению суммарного момента инерции на индуктивность якорной цепи (произведение коэффициентов а12 х а21), АКОР осуществляет оптимальное в смысле минимизации квадратичного отклонения тока от установившегося значения при минимуме расхода энергии управления, регулирование тока. В качестве критерия оптимальности рассматривается минимум функционала !2:

1 = ) (х12+ u2)dt.

При возмущающем воздействии учитываем постоянную времени якорной цепи, в результате математическое описание одномассовой электромеханической системы примет вид копающих механизмов, так и поворотного, и, следовательно, увеличить производительность экскаватора примерно на 5 — 77,. В режиме жесткого сто парения ковша

5 обеспечивается эффективное снижение коэффициента динамичности, уменьшаются динамические броски на 10-15 за счет аналитически конструируемого оптимал ьного регулятора, оптимизирующего сигнал

10 тока якорной цепи. При управляющем воздействии присутствует оптимальная обратная связь по скорости. появляется воэможность более полного заполнения время- и токовой диаграммы и, следовател ь15 но, увеличение быстродействия и производительности.

Формула изобретения

1. Устройство управления электроприводом экскаватора, содержащее командо20 аппарат, выход которого подключен к первому входу сумматора, датчик температуры, выход которого через пороговый элемент подключен к первому входу нелинейного элемента, выход которого под25 ключен к второму входу сумматора, датчик тока двигателя, выход которого подключен к второму входу нелинейного элемента и к первому входу датчика нагрузки, выход которого подключен к входу коммутирующего

30 ключа, датчик скорости подключен к второму входу датчика нагрузки, датчик тока двигателя через замыкающий контакт коммутирующего ключа подключен к первому входу регулятора снижения динамиче35 ских нагрузок, а первый выход регулятора подключен к третьему входу сумматора, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности экскаватора за счет увеличения быстродействия устройст0 ва управления, оно снабжено датчиком напряжения возбуждения, регулятором напряжения, регулятором напряжения возбуждения, магнитным усилителем возбуждения генератора и датчиком напряжения, 5 выход которого подключен к первому входу регулятора напряжения, к второму входу которого подключен сумматор, а выход регулятора напряжения подключен к первому входу регулятора напряжения возбуждения, 0 к второму входу которого подключен датчик напряжения возбуждения, а выход регулятора напряжения возбуждения подключен к входу магнитного усилителя возбуждения генератора,.причем датчик скорости через размыкающий контакт коммутирующего ключа подключен к второму входу регулятора снижения динамических нагрузок, а второй выход регулятора снижения нагрузок подключен к четвертому входу сумматора.

1733577

Составитель В,Кочетков

Техред М.Моргентал Корректор Л,Патай

Редактор Э.Слиган

Заказ 1645 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

2. Устройство no n, 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что регулятор снижения динамических нагрузок содержит два интегратора, три инвертирующих усилителя и неинвертирующий усилитель, причем выход первого интегратора подключен через первый инвертирующий усилитель к его входу и непосредственно к неинвертирующему усилителю, а второй вход первого интегратора является первым входом регулятора, вторым входом которого является вход второго инвертирующего усилителя, выход которого является первым выходом блока, вторым выходом которого является выход

5 неинвертирующего усилителя, а выход первого интегратора через третий инвертирующий усилитель подключен к входу второго интегратора. выход которого подключен к третьему входу первого интегра10 тора.