Перелигін В.
Електропривод кар'єрного екскаватора
В кар'єрних екскаваторах типу ЕКГ або ЕШ використовується велика кількість систем, різноманітних за призначенням і принципом роботи. Практично всі відомі на сьогодні схеми перетворення енергії, такі як гідравліка, пневматика, електропривод, електроніка, знайшли застосування на цих машинах. Первинною і головною сходинкою перетворення енергії - а в сучасних важких екскаваторах це електрична енергія, яка надходить в екскаватор через високовольтну живильну ланцюг, - є електропривод.
Еволюція електроприводу кар'єрних екскаваторів за останні тридцять років привнесла деякі зміни в конструкцію, але по-справжньому нових принципових рішень, вже впроваджених на «живих» машинах, мало.
Класично для приводу головних механізмів застосовуються двигуни постійного струму з незалежним збудженням, що живляться від регульованих генераторів (система Г-Д) або регульованих статичних тиристорних перетворювачів (система ТП-Д).
Двигун з екскаваторним (Саморозвантажний) характеристикою має на увазі роботу з номінальною частотою обертання аж до стопорного максимального моменту, після досягнення якого двигун зупиняється, але не втрачає зусилля на приводному валу. Тобто коли, наприклад, навантажений ківш впирається в нерухомий масив і зусилля, що розвивається підйомної лебідкою, недостатньо для впровадження ковша, не повинно відбуватися «перекидання» двигуна, т. Е. Падіння оборотів і зниження моменту на валу двигуна. Для збереження максимальної продуктивності екскаватора бажано, щоб двигун працював з постійною найбільшою частотою обертання до моменту початку стопоріння (найбільшого навантаження). Це означає, що механічна характеристика (залежність частоти обертання від моменту на валу двигуна) повинна бути жорсткою, складатися з робочого ділянки з мінімальною лінійною залежністю частоти обертання від моменту і неробочого ділянки, відповідного падіння частоти обертання при максимальному моменті стопорения. До такого екскаваторного режиму найбільш близький режим роботи двигунів постійного струму.
Зі шкільного курсу всі знають, що обмотка збудження двигуна постійного струму у вигляді головних магнітних полюсів розташовується в статорі, на обмотку якоря (ротора) струм надходить через щітки й колектор - апарат, який перетворює постійну е.р.с. живильної мережі в змінну е.р.с. обмотки якоря.
Регулювання частоти обертання двигуна постійного струму можливо трьома способами: зміною опору обмотки якоря, напруги, що підводиться або потоку збудження (струму збудження). Зміна опору обмотки якоря для регулювання невигідно, так як не економічно і сильно пом'якшує механічну характеристику. Регулювання зміною потоку збудження може бути застосовано при малих моментах навантаження. Момент двигуна прямо пропорційний потоку збудження, а крім того, обрив в ланцюзі збудження може привести до роботи двигуна рознос за відсутності значимої навантаження на валу, так як частота обертання обернено пропорційна потоку збудження.
Регулювання частоти обертання зміною напруги живлення вимагає джерела з регульованою напругою.
Харчування двигунів постійного струму (головних приводів екскаватора) довгий період часу здійснювалося від генераторів постійного струму (система Г-Д). Це досить надійна і проста в управлінні система електроприводу, вона використовується вже багато десятиліть в приводах кар'єрних екскаваторів.
У простій системі Г-Д зміна напруги живлення (вихідної напруги генератора) відбувається шляхом зміни струму збудження в незалежній обмотці збудження генератора (наприклад, за допомогою реостата в ланцюзі збудження). Зниження напруги живлення призводить до зниження частоти обертання двигуна при збереженні робочого моменту і жорсткості робочих характеристик (справедливо для двигунів з незалежним і паралельним збудженням).
Для приводу генераторів використовується мережевий двигун. Зазвичай преосвітній агрегат включає в себе один або кілька мережних двигунів, які обертають генератори. Кожен генератор забезпечує привід відповідного механізму - привід підйому, напору (тяги для драглайнов), повороту, ходу, відкриття днища ковша (для ЕКГ). В агрегат може входити генератор власних потреб, що живить постійним струмом обмотки збудження двигунів і генераторів. Як мережевого двигуна використовуються потужні асинхронні (ЕКГ-5А) або синхронні двигуни змінного струму (ЕКГ-10, ЕКГ-15, ЕШ-11.70 і т. Д.).
Індивідуальний привід основних механізмів автоматизований. Машиніст керує тільки частотою обертання і проводить реверсування двигуна в процесі копання. Решта процеси регулювання (стабілізація частоти обертання і обмеження граничного навантаження, формування екскаваторної характеристики) відбуваються автоматично. В основу принципу автоматизації управління окремого механізму покладена спеціальна система автоматичного регулювання (САР). Регулятором тут виступає силовий магнітний підсилювач (він замінює керуючий реостат в ланцюзі збудження в найпростішою схемою). У САР генератор є одночасно підсилювальним і виконавчим елементом, двигун - об'єктом регулювання, а регульованою величиною є частота обертання двигуна. При управлінні машиніст, бажаючи встановити певну частоту двигуна, впливає на ланцюг збудження генератора, т. Е. Змінює величину струму в його обмотці збудження за допомогою командоконтроллера. Для підтримки заданого режиму в САР присутній зворотний зв'язок, що забезпечує коригуючий вплив на магнітні підсилювачі і далі на струм в ланцюзі збудження генератора.
Більш прогресивною вважається схема, в якій харчування обмотки збудження генератора (двигуна) здійснюється за допомогою тиристорного перетворювача. При такій схемі не потрібно задіяти генератор власних потреб, покликаний живити обмотки збудження електромашин і приводу малої потужності (відкриття днища ковша). Основними перевагами тиристорних збудників є мала інерційність і більш високий к.к.д. в порівнянні з силовими магнітними підсилювачами. Тиристор перетворює змінний струм в постійний з регулюванням випрямленої напруги. Струм управління тиристора регулюється сельсину командоаппаратом.
Другий спосіб - використовувати замість генератора тиристорний перетворювач (ТП-Д). Однак використання силових тиристорних перетворювачів для електроприводу головних приводів призводить до зниження коефіцієнта потужності енергетичної установки екскаватора, появи додаткових гармонік і коливань напруги в мережі, що знижує якість електропостачання кар'єра. Щоб зменшити негативний вплив роботи ТП на мережу, на екскаваторах використовуються фільтрокомпенсуючі пристрої. У колишньому СРСР схема ТП-Д була обкатана на ЕКГ-20.
Іншим перспективним напрямком є застосування імпульсного способу зміни будь-якого параметра двигуна - напруги, опору в ланцюгах статора або ротора. Змінюючи тривалість імпульсу, досягають зміни середньої частоти обертання.
Асинхронні двигуни, що живляться від регульованих статичних перетворювачів частоти (ПЧ-АС), застосовують в електроприводі починаючи з 1970-х років. Асинхронні електродвигуни завдяки простоті виробництва і надійності в експлуатації широко використовують в нерегульованому електроприводі. Основні їх недоліки - обмежений діапазон регулювання частоти обертання і значне споживання реактивної потужності.
Перетворювачі частоти набули поширення в першу чергу в системах плавного пуску. Зараз частотні перетворювачі впроваджуються і в якості регуляторів в потужних приводах (до 10 МВт шахтні підйомники, вентиляційні системи, водовідлив, конвеєрний транспорт, тяговий привід рухомого складу на залізничному транспорті та ін.). Застосування частотних перетворювачів дозволяє:
плавно регулювати швидкість обертання асинхронного електродвигуна при збереженні моменту на валу;
знизити споживання електроенергії на 30 ... 50% за рахунок оптимального управління електродвигуном в залежності від навантаження;
здійснювати плавний пуск електродвигуна зі струмом, що не перевищує номінального значення для електродвигуна;
усунути пікові навантаження на електромережу та просадки напруги в ній в момент пуску електроприводу.
Частотні перетворювачі створюють певні електромагнітні перешкоди, для зменшення яких необхідно застосовувати додаткові фільтри. Для роботи на низьких частотах потрібно ефективне примусове охолодження. Інший аспект - труднощі забезпечення екскаваторної механічної характеристики. В процесі роботи екскаватора навантажувальні моменти можуть змінюватися в значній мірі за короткі проміжки часу від максимальних моментів, здатних «перекинути» двигун, до мінімальних. Тому потрібно автоматична одночасна регулювання частоти і напруги живлення, що надходить на обмотку статора.
Питань при використанні системи ПЧ-АС виникає багато, для короткого їх огляду буде потрібно окрема публікація.
Сьогодні світові лідери виробництва електричних екскаваторів, такі як Bucyrus International Inc. з вхідними в її склад Marion і Ransomes-Rapier, а також PH пропонують екскаватори з електроприводом, виконаним за різними схемами - ПЧ-АС, Г-Д, ТП-Д. Вибір системи залишається за замовником.
