Экскаваторный электропривод

 

Использование: в электроавтоматике в качестве электроприводов горных машин. Сущность: экскаваторный электропривод содержит главный контур регулирования напряжения, образованный регулятором напряжения и датчиком напряжения, подчиненный контур регулирования тока, содержащий регулятор тока и датчик тока и контур регулирования мощности, включающий блок перемножения, выходной сигнал которого подключается к вычитающему входу регулятора напряжения с помощью управляемого ключа в случае превышения током заданного значения. Обратная связь по мощности, управляемая током электродвигателя, обеспечивает быстродействующее и точное ограничение тока электродвигателя и снижение потерь электроэнергии. 2 ил.

Изобретение относится к электроавтоматике и предназначено для использования в системах приводов горных машин.

Известны экскаваторные электроприводы, содержащие электродвигатель постоянного тока, подключенный к якорной обмотке генератора, обмотка возбуждения которого через усилитель подключена к выходу регулятора тока, вычитающий вход которого соединен с выходом датчика тока, включенного последовательно с якорной обмоткой электродвигателя, а суммирующий вход подключен к выходу регулятора напряжения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика, а один из вычитающих входов соединен с выходом датчика напряжения, подключенного к якорной обмотке генератора (Ключев В.И. Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов. M. Энергия, 1980, с.154, рис.3-24; с.2-91, рис. 3-33).

В известных экскаваторных электроприводах управление скоростью и направлением вращения двигателя осуществляется путем изменения напряжения на выходе генератора постоянного тока. Основные требования, предъявляемые к таким устройствам высокое быстродействие и точное ограничение тока в стопорных режимах. Однако, за счет большой инерционности генератора в динамических режимах, например, при резких стопорениях, ток и, следовательно, момент могут превышать допустимые значения, что представляет опасность для механических элементов экскаватора. При этом, электропривод развивает повышенную мощность, что вызывает дополнительные потери в якорной обмотке.

Следовательно, недостаток известных экскаваторных электроприводов - низкая надежность, обусловленная недостаточной точностью ограничения момента и развиваемой мощности.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является экскаваторный электропривод, содержащий электродвигатель постоянного тока, подключенный к якорной обмотке генератора, обмотка возбуждения которого через усилитель подключена к выходу регулятора тока, вычитающий вход которого соединен с выходом датчика тока, включенного последовательно с якорной обмоткой электродвигателя, а суммирующий вход подключен к выходу регулятора напряжения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика, а один из вычитающих входов соединен с выходом датчика напряжения, подключенного к якорной обмотке генератора (Ключев В.И. Калашников Ю.Т. Данченков А. А. Разработка унифицированной системы тиристорного возбудителя для экскаваторного электропривода /Автоматизированный электропривод/. Под ред. Н.Ф.Ильинского и М.Г.Юнькова. М. Энергоатомиздат, 1990, с.280-284).

В известном экскаваторном электроприводе управление скоростью и направлением вращения электродвигателя осуществляется путем регулирования напряжения на выходе генератора постоянного тока. Однако, в динамических режимах работы, например, при включениях, реверсах и стопорениях из-за большой инерционности генератора ток и, следовательно, электромагнитный момент могут превышать допустимый уровень. Это служит причиной механических разрушений элементов рабочей машины и увеличения потребляемой мощности. Кроме того, процесс регулирования тока определяется параметрами настройки подчиненного контура регулирования тока. При работе системы происходят изменения параметров настроек, например, вследствие изменения температуры окружающей среды, старения элементов и др. Типовая структура экскаваторного электропривода имеет высокую чувствительность точности регулирования и ограничения тока к изменениям параметров элементов.

Следовательно, недостаток известного экскаваторного электропривода - низкая надежность из-за низкой точности ограничения электромагнитного момента и развиваемой мощности.

Цель предполагаемого изобретения повышение надежности экскаваторного электропривода путем повышения точности ограничения электромагнитного момента и развиваемой мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в известный экскаваторный электропривод, содержащий электродвигатель постоянного тока, подключенный к якорной обмотке генератора, обмотка возбуждения которого через усилитель подключена к выходу регулятора тока, вычитающий вход которого соединен с выходом датчика тока, включенного последовательно с якорной обмоткой электродвигателя, а суммирующий вход подключен к выходу регулятора напряжения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика, а один из вычитающих входов соединен с выходом датчика напряжения, подключенного к якорной обмотке генератора, дополнительно введены релейный элемент с характеристикой сигнум-реле, управляемый ключ и блок перемножения, первый, второй и третий входы которого подключены к выходам соответственно датчика тока, датчика напряжения и сигнум-реле, а выход через управляемый ключ соединен со вторым вычитающим входом регулятором напряжения, релейный элемент включен между выходом датчика тока и управляющим входом управляемого ключа, вход сигнум-реле подключен к выходу датчика напряжения.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие отличительные признаки: релейный элемент; сигнум-реле; управляемый ключ; блок перемножения.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна".

При реализации предполагаемого изобретения повышается надежность работы экскаваторного электропривода за счет повышения точности ограничения электромагнитного момента и потребляемой мощности. В динамических режимах при увеличении тока выше заданного уровня в системе электропривода включается отрицательная обратная связь по мощности, благодаря чему происходит ограничение тока и потребляемой мощности и, следовательно, уменьшение потерь энергии в якорной обмотке двигателя. В результате повышается надежность работы экскаваторного электропривода. При этом система имеет малую чувствительность параметров переходного процесса к изменениям параметров цепи обратной связи и регуляторов тока и напряжения.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "положительный эффект".

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электроавтоматики и автоматизированного электропривода.

Известны блоки перемножения в экскаваторных электроприводах (А.с. N 1695479 СССР, опубл. 1991, МКИ H 02 P5/06). В известном и предлагаемом технических решениях блоки перемножения выполняют аналогичные функции - формирование сигнала, пропорционального мгновенной мощности.

Известны релейные элементы в экскаваторных электроприводах (патент РФ по заявке N 5013528/07 от 8.10.91, положит.реш. от 6.04.92, МКИ H 02 P 5/06). Однако, в известном техническом решении указанный элемент формирует сигнал логической единицы при превышении сигналом ошибки системы регулирования заданного значения. В предлагаемом техническом решении аналогичный элемент формирует сигнал логической единицы в случае превышения током двигателя заданного уровня.

Следовательно, одинаковые элементы в известном и заявляемом технических решениях выполняют разные функции.

Известны сигнум-реле в электроприводах постоянного тока (Перельмутер В. М. Сидоренко В.А. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока. М. Энергоатомиздат, 1988, с.137-140). В предлагаемом техническом решении и в известных устройствах сигнум-реле выполняют сходные функции сравнение двухполярного напряжения с заранее заданным уровнем, в частности, нулевым.

Управляемые ключи в известных устройствах аналогичного назначения не обнаружены.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "существенные отличия".

Сущность предполагаемого изобретения поясняется фиг. 1,2. На фиг.1 приведена функциональная схема экскаваторного электропривода, которая содержит: задатчик 1, управляемый ключ 2, регулятор напряжения 3, релейный элемент 4, регулятор тока 5, блок перемножения 6, усилитель 7, сигнум-реле 8, генератор постоянного тока с обмоткой возбуждения 9 и якорной обмоткой 10, датчик напряжения 11, датчик тока 12, электродвигатель постоянного тока 13.

В экскаваторном электроприводе электродвигатель постоянного тока 13 подключен к якорной обмотке 10 генератора, обмотка возбуждения 9 которого через усилитель 7 подключена к выходу регулятора тока 5, вычитающий вход которого соединен с выходом датчика тока 12, включенного последовательно с якорной обмоткой 10 электродвигателя, а суммирующий вход подключен к выходу регулятора напряжения 3, подключенного к якорной обмотке 10 генератора, первый, второй и третий входы блока перемножения 6 подключены к выходам соответственно датчика тока 12, датчика напряжения 11, и сигнум-реле 8, выход через управляемый ключ 2 соединен со вторым вычитающим входом регулятора напряжения 3, релейный элемент 4 включен между выходом датчика тока 12 и управляющим входом управляемого ключа 2, вход сигнум-реле 8 подключен к выходу датчика напряжения 11.

Экскаваторный электропривод работает следующим образом. Якорная обмотка электродвигателя 13 подключена к выходу генератора постоянного тока. Регулирование скорости двигателя 13 осуществляется изменением напряжения на якорной обмотке. Напряжение на якорной обмотке двигателя 13 осуществляется датчиком напряжения 11. Ток двигателя 13 измеряется с помощью датчика тока 12, например, шунта. На выходе блока перемножения 6 формируется сигнал U₆, пропорциональный произведению тока i, напряжения U и знака напряжения, т.е.

U₆ K₆K₁₁K₁₂U_euisign U, где K₆, K₁₁, K₁₂ коэффициенты передачи соответственно блока перемножения 6, датчика напряжения 11, датчика тока 12; U_e напряжение, соответствующее уровню логической единицы и равное амплитуде выходного сигнала сигнум-реле 8.

Модуль сигнала U₆ пропорционален мгновенной мощности, потребляемой электродвигателем 13, а знак этого напряжения соответствует направлению потока мощности.

Сигнал U₆ поступает на второй вычитающий вход регулятора напряжения 3 через управляемый ключ 2. Управление ключом 2 осуществляется выходным сигналом релейного элемента 4
Если ток i двигателя 13 не превышает значения I_o, управляемый ключ 2 разомкнут, если ток i превышает I_o, ключ 2 замыкается.

Таким образом, экскаваторный электропривод содержит три контура регулирования: внутренний подчиненный контур регулирования тока, содержащий датчик тока 12 и регулятор тока 5, главный контур регулирования напряжения, содержащий датчик напряжения 11 и регулятор напряжения 3, и контур регулирования мощности, содержащий блок перемножения 6 и управляемый ключ 2.

Если ток электродвигателя 10 не превышает допустимого значения I_o, выходной сигнал релейного элемента 4 U₄ 0, управляемый ключ 2 разомкнут. В этом случае, экскаваторный электропривод представляет собой систему регулирования напряжения с подчиненным контуром регулирования тока. На суммирующий вход регулятора напряжения 3 подается с выхода задатчика 1 сигнал U₁, пропорциональный требуемому напряжению на якорной обмотке двигателя 13. На первый вычитающий вход регулятора напряжения 3 подается сигнал U₁₁ с выхода датчика напряжения 11, пропорциональный напряжению на выходе генератора 10. В регуляторе напряжения 3 производится вычисление ошибки регулирования ε U₁ U₁₁ и преобразование сигнала e в соответствии с типовым законом регулирования, например, П- или ПИ-.

Сигнал U₃ с выхода регулятора напряжения 3 поступает на суммирующий вход регулятора тока 5, на вычитающем входе которого действует сигнал U₁₂, пропорциональный току якорной обмотки электродвигателя 13. Сигнал с выхода регулятора тока 5 через усилитель 7 поступает на обмотку возбуждения 9 генератора, в результате чего устанавливается требуемое значение напряжения генератора 10.

Если ток якорной обмотки двигателя 13 превышает значение I_o, происходит переключение релейного элемента 4 и, следовательно, замыкание управляемого ключа 2. В результате этого, на второй вычитающий вход регулятора напряжения 3 поступает выходной сигнал блока перемножения 6, пропорциональный мощности, потребляемой электродвигателем 13. Это вызывает уменьшение выходного сигнала регулятора напряжения 3, ограничение тока и момента электродвигателя и минимизацию мощности, потребляемой электродвигателем.

Повышенная эффективность действия обратной связи по мощности по сравнению с классической токовой отсечкой (Башарин А.В. Новиков В.А. Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л. Энергоатомиздат, 1982, с.74-77) объясняется следующим:
при изменениях задающего воздействия увеличение тока определяется изменениями напряжения, что приводит к резкому возрастанию мощности. Поэтому действие обратной связи по мощности оказывает больший эффект при ограничении тока, чем связь по току или напряжению;
при резких стопорениях происходит увеличение тока и потребляемой мощности (в предлагаемом электроприводе при этом действуют одновременно две отрицательные обратные связи по току и мощности, благодаря чему обеспечивается быстрое и точное ограничение тока);
обратная связь по мощности включается только при увеличении тока выше допустимого уровня и ее действие эквивалентно уменьшению сигнала задания. Поэтому эта связь не оказывает влияния на устойчивость электропривода, а система управления имеет малую чувствительность к изменениям параметров этой связи.

Таким образом, в предлагаемом экскаваторном электроприводе повышается надежность работы за счет повышения точности ограничения электромагнитного момента и развиваемой мощности.

С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого в предлагаемом техническом решении, было проведено имитационное моделирование экскаваторного электропривода с помощью ЭВМ IBM-PC/AT. На фиг.2 показаны диаграммы для тока электропривода с токовой отсечкой (кривая 1) и обратной связью по мощности, реализованной в предлагаемом техническом решении (кривая 2). Приведенные диаграммы соответствуют оптимальным переходным процессам для заданных параметров схемы электропривода. Результаты моделирования свидетельствуют о повышении точности ограничения тока, уменьшении потерь энергии в переходных режимах, что обуславливает повышение надежности работы экскаваторного электропривода.

Использование предлагаемого технического решения в автоматизированном электроприводе горных машин позволит повысить технические характеристики электрооборудования и уменьшить потери энергии.

Формула изобретения

Экскаваторный электропривод, содержащий электродвигатель постоянного тока, подключенный к якорной обмотке генератора, обмотка возбуждения которого через усилитель подключена к выходу регулятора тока, вычитающий вход которого соединен с выходом датчика тока, включенного последовательно с якорной обмоткой электродвигателя, а суммирующий вход подключен к выходу регулятора напряжения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика, а один из вычитающих входов соединен с выходом датчика напряжения, подключенного к якорной обмотке генератора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены релейный элемент с характеристикой

сигнум-реле, управляемый ключ и блок перемножений, первый, второй и третий входы которого подключены к выходам соответственно датчика тока, датчика напряжения и сигнум-реле, а выход через управляемый ключ соединен с вторым вычитающим входом регулятора напряжения, релейный элемент включен между выходом датчика тока и управляющим входом управляемого ключа, вход сигнум-реле подключен к выходу датчика напряжения:
где i ток электродвигателя
I_о допустимое значение тока
U_е напряжение, соответствующее уровню логической единицы и равное амплитуде выходного сигнала сигнум-реле.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2