Устройство управления электроприводами экскаватора

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ЭКСКАВАТОРА Изобретение относится к управлению горно-добывающей техникой, а именно к управлению электроприводами механизмов одноковшовых карьерных экскаваторов, в частности главных частотно-регулируемых электроприводов карьерного гусеничного экскаватора ЭКГ-5 А. Предлагается устройство управления электроприводами экскаватора, содержащее силовую часть,блок управления силовой частью и блок управления системой электроприводов экскаватора, в котором силовая часть включает понижающий трансформатор 1, по меньшей мере три автономных инвертора 3 напряжения и конденсаторный фильтр 5, к которому параллельно подключены автономные инверторы 3 напряжения, которые подключены к асинхронным электродвигателям 6 с коротко замкнутым ротором электроприводов экскаватора; блок 7 управления силовой частью снабжен датчиком 8 напряжения звена постоянного тока и соединен с автономными инверторами 3 напряжения. Блок управления системой электроприводов экскаватора содержит микропроцессорный блок 9, к которому подключены датчики тока 10 статора и датчики 11 обратной связи по положению ротора асинхронного электродвигателя электропривода экскаватора,задающие элементы 12, интерфейсный блок 13 наладки и мониторинга, причем блок управления системой электроприводов экскаватора связан с блоком управления силовой частью. Силовая часть устройства также включает трехфазный мостовой преобразователь на полностью управляемых ключах 2, который снабжен входным дросселем переменного тока 4 и соединен с блоком 7 управления силовой частью и конденсаторным фильтром 5.EP-A1-1571352 АМЕЛЬКО ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ; КЛИМКО ИВАН ЮРЬЕВИЧ (BY) Изобретение относится к управлению горно-добывающей техникой, а именно к управлению электроприводами механизмов одноковшовых карьерных экскаваторов, в частности главных частотнорегулируемых электроприводов карьерного гусеничного экскаватора ЭКГ-5 А. Известны устройства управления электроприводами экскаватора, содержащие задающий блок, подключенный через преобразователь, включающий силовой мост, к электроприводу системы Г-Д, датчики тока и напряжения. Задающий блок представляет собой командоаппарат, построенный по кулачковому принципу. Преобразователь содержит датчик питающего напряжения, регулятор питающего напряжения, датчик напряжения возбуждения, силовой мост представляет собой суммирующий магнитный усилитель. Устройство снабжено датчиками нагрузки, температуры, скорости, регулятором снижения динамических нагрузок [1],[2]. Известные устройства имеют недостаточно высокую надежность и быстродействие управления. Система управления является температурозависимой. Известно устройство управления электроприводами экскаватора, содержащее задающий блок, преобразователь, включающий датчики тока и напряжения, силовой мост, подключенный к обмотке возбуждения генератора электропривода системы Г-Д [3]. Известное устройство является достаточно сложным и инерционным. Кроме того, оно использует традиционные для экскаваторов коллекторные двигатели постоянного тока, которые достаточно дороги,массивны и имеют большие габариты. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство управления электроприводами экскаватора, содержащее силовую часть, блок управления силовой частью и блок управления системой электроприводов экскаватора, в котором силовая часть включает понижающий трансформатор, трехфазный мостовой выпрямитель, по меньшей мере три автономных инвертора напряжения и ведомый сетью инвертор, причем трехфазный мостовой выпрямитель снабжен сглаживающим дросселем и конденсаторным фильтром, к которому параллельно подключены автономные инверторы напряжения и ведомый сетью инвертор, кроме того, трехфазный мостовой выпрямитель и ведомый сетью инвертор подключены параллельно к понижающему трансформатору, а автономные инверторы напряжения подключены к асинхронным электродвигателям с короткозамкнутым ротором электроприводов экскаватора; блок управления силовой частью снабжен датчиком напряжения звена постоянного тока и соединен с ведомым сетью инвертором и автономными инверторами напряжения; блок управления системой электроприводов экскаватора содержит микропроцессорный блок, к которому подключены датчики тока статора и датчики обратной связи по положению ротора асинхронного электродвигателя электропривода экскаватора, задающие элементы, интерфейсный блок наладки и мониторинга, причем блок управления системой электроприводов экскаватора связан с блоком управления силовой частью [4]. Недостатком данного устройства является относительно невысокий коэффициент мощности системы электроприводов в целом из-за применения трехфазного мостового выпрямителя на диодах, форма входного тока которого имеет несинусоидальную форму с высоким содержанием высших гармонических составляющих, что существенно увеличивает активные потери в понижающем трансформаторе и питающей линии. Задачей заявленного технического решения является разработка устройства управления электроприводами экскаватора с асинхронными электродвигателями переменного тока достаточно простого,дешевого, надежного и с высоким КПД и быстродействием. Для решения поставленной задачи предлагается устройство управления электроприводами экскаватора, содержащее силовую часть, блок управления силовой частью и блок управления системой электроприводов экскаватора, в котором силовая часть включает понижающий трансформатор 1, по меньшей мере три автономных инвертора 3 напряжения и конденсаторный фильтр 5, к которому параллельно подключены автономные инверторы 3 напряжения, которые подключены к асинхронным электродвигателям 6 с короткозамкнутым ротором электроприводов экскаватора; блок 7 управления силовой частью снабжен датчиком 8 напряжения звена постоянного тока и соединен с автономными инверторами 3 напряжения. Блок управления системой электроприводов экскаватора содержит микропроцессорный блок 9, к которому подключены датчики тока 10 статора и датчики 11 обратной связи по положению ротора асинхронного электродвигателя электропривода экскаватора, задающие элементы 12, интерфейсный блок 13 наладки и мониторинга, причем блок управления системой электроприводов экскаватора связан с блоком управления силовой частью. Силовая часть устройства также включает трехфазный мостовой преобразователь на полностью управляемых ключах 2, который снабжен входным дросселем переменного тока 4 и соединен с блоком 7 управления силовой частью и конденсаторным фильтром 5. Основными технико-экономическими достоинствами устройства управления электроприводами экскаватора являются: 1) оптимизация входного коэффициента мощности системы электроприводов с целью уменьшения потерь в питающем трансформаторе и подводящей линии (применение трехфазного мостового полностью управляемого преобразователя, работающего в режимах рекуперации и выпрямления, входного трехфазного дросселя переменного тока); 2) снижение коэффициента гармонических искажений входного питающего напряжения за счет контроля формы входного тока в трехфазном мостовом преобразователе на полностью управляемых ключах, что существенно улучшает энергетические показатели и надежность работы устройств, работающих параллельно с экскаватором. На чертеже представлена схема предлагаемого устройства управления электроприводами экскаватора. Устройство управления электроприводами экскаватора состоит из силовой части, блока управления силовой частью и блока управления системой электроприводов экскаватора. Силовая часть включает понижающий трансформатор 1, входной трехфазный дроссель переменного тока 4, трехфазный мостовой преобразователь на полностью управляемых ключах 2, по меньшей мере три автономных инвертора 3 напряжения, причем трехфазный мостовой преобразователь 2 снабжен конденсаторным фильтром 5, к которому параллельно подключены автономные инверторы 3 напряжения,кроме того автономные инверторы 3 напряжения подключены к асинхронным электродвигателям 6 с короткозамкнутым ротором электроприводов экскаватора. Блок 7 управления силовой частью снабжен датчиком 8 напряжения звена постоянного тока и соединен с трехфазным мостовым преобразователем 2 и автономными инверторами 3 напряжения. Блок управления системой электроприводов экскаватора содержит микропроцессорный блок 9, к которому подключены датчики тока 10 статора и датчики 11 обратной связи по положению ротора асинхронного электродвигателя электроприводов экскаватора, задающие элементы 12, интерфейсный блок 13 наладки и мониторинга, причем блок управления системой электроприводов экскаватора связан с блоком управления силовой частью. Устройство работает следующим образом. Понижающий силовой трансформатор 1 через трехфазный дроссель переменного тока 4 питает трехфазный мостовой преобразователь на полностью управляемых ключах 2, работающий в режиме выпрямления или ведомого сетью инвертирования в зависимости от величины напряжения в звене постоянного тока. Мостовой преобразователь 2 питает конденсаторный фильтр 5, который является аккумулятором электроэнергии протекающей в обоих направлениях (питающая сеть - асинхронный электродвигатель и асинхронный электродвигатель - питающая сеть). Автономные инверторы 3 напряжения (ШИМ-инверторы) представляют собой трехфазные мостовые схемы автономного инвертирования (преобразования постоянного напряжения в переменное) с возможностью регулирования величины амплитуды, фазы и частоты выходного напряжения в режиме реального времени. Блок 7 управления силовой частью генерирует и распределяет управляющие импульсы на управляющие электроды силовых полупроводниковых ключей (IGBT-модулей) автономных инверторов напряжения 3 и трехфазного мостового преобразователя 2 в зависимости от режима работы электроприводов экскаватора. Входными сигналами для блока 7 управления силовой частью являются сигналы задания величины напряжения (амплитуды, фазы и частоты), сигнал обратной связи по напряжению отдатчика 8 напряжения звена постоянного тока, а выходными - последовательность управляющих импульсов определенной длительности и частоты. Устройство управления электроприводами экскаватора работает по принципу подчиненного векторного управления скоростью асинхронного электродвигателя с обратной связью по току статора (датчики 10 - измерительные элементы Холла в качестве датчиков обратной связи по току статора) и скорости ротора (инкрементальные фотоимпульсные или магнитные датчики 11 - энкодеры в качестве обратной связи по положению вала электродвигателя). Данный алгоритм позволяет получить высокие динамические показатели управления электроприводов за счет независимого регулирования магнитного потока ротора и электромагнитного момента на валу электродвигателя. При поддержании магнитного потока ротора на заданном уровне (номинальном) независимо от нагрузки электромагнитный момент асинхронного электродвигателя однозначно определяется моментообразующей составляющей тока статора. Сигналы от датчиков 10 и 11 поступают в микропроцессорный блок 9, где происходят координатные преобразования величин токов из трехфазной неподвижной системы координат (ABC) вначале в двухфазную ортогональную неподвижную систему координат (ab), а затем в двухфазную ортогональную подвижную систему координат (xy), вращающуюся синхронно с магнитным потоком ротора асинхронного электродвигателя. Одновременно с задающего элемента 12 поступает сигнал задания скорости соответствующего рабочего механизма, который сравнивается с сигналом обратной связи по скорости датчика 11 соответствующего асинхронного электродвигателя. Разница сигналов заданной и реальной скорости формирует сигнал управления для пропорционально-интегрального регулятора скорости, который в свою очередь формирует задающий сигнал для пропорционально-интегрального регулятора моментообразующего тока, и сигнал с микропроцессора блока 9 поступает в блок 7 управления силовой частью,который на основании задания величины, фазы и частоты выходного напряжения автономного инвертора 3 напряжения формирует выходные открывающие импульсы определенной частоты и длительности дляIGBT-модулей инвертора напряжения. Пропорционально-интегральный регулятор намагничивающей составляющей тока статора поддерживает магнитный поток ротора на заданном постоянном уровне, что обеспечивает высокое качество переходных процессов при управлении скоростью передвижения ковша экскаватора. Все координатные преобразования и вычисления регуляторов производятся микропроцессорным блоком 9. Настройка и наладка работы электроприводов экскаватора осуществляется с помощью интерфейсного блока 13, с его же помощью машинист-оператор экскаватора может отслеживать текущие координаты электроприводов (скорость вращения ротора и ток статора) для корректной работы. Ограничение электромагнитного момента асинхронного электродвигателя (создание экскаваторной электромеханической характеристики) осуществляется в микропроцессорном блоке 9 за счет введения нелинейного токоограничивающего звена в канал регулирования моментообразующей составляющей тока статора,которая и определяет величину электромагнитного момента асинхронного двигателя. Для формирования плавных переходных процессов во время разгона и торможения электроприводов (ограничение по механической прочности конструкции экскаватора) применяется программный задатчик интенсивности, который ограничивает темп нарастания скорости рабочего механизма (ковша). Задатчик интенсивности формирует линейное задание скорости для регулятора скорости электродвигателя. В силовом блоке происходит тройное преобразование электроэнергии: из переменного напряжения(6 кВ, 50 Гц) с помощью понижающего трансформатора - в переменное напряжение (380 В, 50 Гц), из переменного напряжения (380 В, 50 Гц) с помощью трехфазного мостового преобразователя - в постоянное напряжение (540 В), из постоянного напряжения (540 В) с помощью автономного инвертора напряжения - в переменное напряжение с регулируемой амплитудой, фазой и частотой, которое, поступая на обмотки статора приводного асинхронного электродвигателя, преобразуется в полезную механическую мощность на валу ротора асинхронного двигателя. Для повышения коэффициента мощности и снижения гармонических искажении в питающей сети трехфазный мостовой преобразователь работает в режиме выпрямления и инвертирования с отслеживанием кривой входного тока (синусоида) методом широтноимпульсной модуляции (ШИМ). Для большего улучшения коэффициента мощности трехфазный мостовой преобразователь 2 подключен к трансформатору через трехфазный дроссель переменного тока, который дополнительно снижает пульсации входного тока, уменьшая тем самым потери мощности в понижающем трансформаторе. Дроссель дополнительно выполняет защитную функцию ограничения тока короткого замыкания в случае аварийной ситуации и также снижает величину просадки питающего напряжения трехфазного мостового преобразователя при кратковременных просадках напряжения питающей сети. Конденсаторный фильтр сглаживает пульсации выпрямленного напряжения и служит аккумулирующим элементом для протекающей в обоих направлениях электроэнергии, в том числе и между отдельными инверторами напряжения 3 разных электроприводов, что дополнительно разгружает питающий трансформатор. Источники информации: 1. SU1733577, МПК Е 02F 9/20, 15.05.92 2. RU 2030521, МПК Е 02F 9/20, 10.03.95 3. RU2193630, МПК Е 02F 9/20, 27.08.2001 4. ЕА 12259, МПК Е 02F 9/20, 03.04.2008 - прототип. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Устройство управления электроприводами экскаватора, содержащее силовую часть, блок (7) управления силовой частью и блок управления системой электроприводов экскаватора, в которой силовая часть включает понижающий трансформатор (1), по меньшей мере три автономных инвертора (3) напряжения и конденсаторный фильтр (5), к которому параллельно подключены автономные инверторы (3) напряжения, которые подключены к асинхронным электродвигателям 6 с короткозамкнутым ротором электроприводов экскаватора; блок (7) управления силовой частью снабжен датчиком (8) напряжения звена постоянного тока и соединен с автономными инверторами (3) напряжения; блок управления системой электроприводов экскаватора содержит микропроцессорный блок (9), к которому подключены датчики тока (10) статора и датчики (11) обратной связи по положению ротора асинхронного электродвигателя электропривода экскаватора, задающие элементы (12), интерфейсный блок (13) наладки и мониторинга, причем блок управления системой электроприводов экскаватора связан с блоком управления силовой частью, отличающееся тем, что силовая часть также включает трехфазный мостовой преобразователь на полностью управляемых ключах (2), который снабжен входным дросселем переменного тока (4) и соединен с блоком (7) управления силовой частью и конденсаторным фильтром (5).