СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ГЛАВНЫХ ПРИВОДОВ ЭКСКАВАТОРА
POWER-SUPPLY SYSTEM OF EXCAVATOR MAIN DRIVES

Предлагаемое изобретение относится к электрооборудованию горнодобывающих машин и предназначено для использования в низковольтных комплектных устройствах карьерных экскаваторов.
Известны системы электропитания главных приводов экскаватора, содержащие понижающий силовой трансформатор, подключенные к его выходным обмоткам тиристорные управляемые выпрямители, к выходам которых подключены якорные обмотки двигателей постоянного тока приводов соответственно подъема, напора, поворота, хода (Сафошин В.В., Микитченко А.Я., Шевченко А.Н. и др. Электропривод экскаватора ЭКГ-5 по системе ТП-Д производства ОАО «Рудоавтоматика» / Горное оборудование и электромеханика, 2009, №4, С.16-22; Ефимов В.Н., Цветков В.Н., Садовников Е.М. Карьерные экскаваторы. Справочник рабочего. - М., Недра, 1994, с.275, рис.4.29).
В известных технических решениях, реализованных, например, в отечественных экскаваторах ЭКГ-20, осуществляется электропитание приводов главного движения путем преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока с помощью тиристорных управляемых выпрямителей. Недостаток такой системы - низкие энергетические характеристики, а именно низкий и переменный коэффициент мощности нагрузки, высокий уровень высших гармоник в потребляемом токе, искажения питающего напряжения (Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М., Энергия, 1978. - 320 с.; Микитченко А.Я., Шевченко А.Н., Бирюков Ю.А. Энергетическая эффективность регулирования в тиристорных и транзисторных электроприводах экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика, 2008, №5, с.24-31).
Следовательно, недостаток известных систем электропитания главных приводов экскаватора - низкие энергетические характеристики.
Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является система электропитания главных приводов экскаватора, содержащая понижающий силовой трансформатор, подключенный к его выходной обмотке тиристорный управляемый выпрямитель с блоком регулирования, реактор, первый вывод которого подключен к выходу тиристорного управляемого выпрямителя, а второй - к объединенной шине с положительным потенциалом питания группы транзисторных мостовых преобразователей с конденсаторами, включенными между шинами питания транзисторных преобразователей, к выходам которых подключены якорные обмотки двигателей постоянного тока приводов подъема, напора, поворота и хода, транзисторный ключ, первый вывод которого подключен к одной из шин постоянного тока, а второй через резистор аварийного сброса соединен с второй шиной постоянного тока, датчик напряжения постоянного тока, выход которого соединен с входом блока регулирования управляемого выпрямителя (Малафеев С.И., Новгородов А.А., Серебренников Н.А. Экскаватор ЭКГ-5А: Новое техническое решение системы управления приводами // Горное оборудование и электромеханика, 2009, №11, с.23-28).
В известном техническом решении электропитание приводов главного движения осуществляется путем преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока с помощью тиристорного управляемого выпрямителя. Двигатели постоянного тока подключены к локальной сети постоянного тока с помощью транзисторных преобразователей с широтно-импульсным регулированием напряжения. Такая система электропитания имеет повышенный коэффициент мощности по сравнению с системой, содержащей тиристорные управляемые выпрямители. Однако при рекуперации энергии, имеющей место при торможении привода поворота или опускании ковша, происходит быстрый заряд конденсаторов, и при повышении напряжения в звене постоянного тока осуществляется сброс энергии, накопленной в конденсаторах, а также рекуперируемой энергии, на балластный резистор, т.е. преобразование кинетической энергии в тепловую. Следовательно, недостаток известной системы - низкие энергетические характеристики, а именно низкий КПД использования энергии при рекуперации.
Таким образом, недостаток известной системы электропитания главных электроприводов экскаватора - низкие энергетические характеристики.
Цель предлагаемого изобретения - повышение энергетических характеристик системы электропитания главных приводов экскаватора.
Поставленная цель достигается тем, что в известной системе электропитания главных приводов экскаватора, содержащей понижающий силовой трансформатор, подключенный к его выходной обмотке тиристорный управляемый выпрямитель с блоком регулирования, реактор, первый вывод которого подключен к выходу тиристорного управляемого выпрямителя, а второй - к объединенной шине с положительным потенциалом питания группы транзисторных мостовых преобразователей с конденсаторами, включенными между шинами питания транзисторных преобразователей, к выходам которых подключены якорные обмотки двигателей постоянного тока приводов подъема, напора, поворота и хода, транзисторный ключ, первый вывод которого подключен к одной из шин постоянного тока, а второй через резистор аварийного сброса соединен с второй шиной постоянного тока, датчик напряжения постоянного тока, выход которого соединен с входом блока регулирования управляемого выпрямителя, дополнительно введены суперконденсатор, датчики рекуперативных токов двигателей главных приводов, блок суммирования рекуперативных токов, входы которого подключены к выходам датчиков рекуперативных токов двигателей главных приводов, а выход через пороговый элемент соединен с вторым входом блока регулирования тиристорного управляемого выпрямителя, а суперконденсатор включен между шинами постоянного тока.
По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки:
- суперконденсатор;
- датчики рекуперативных токов двигателей главных приводов;
- пороговый элемент;
- блок суммирования рекуперативных токов.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предлагаемого изобретения повышаются энергетические характеристики во всех режимах работы экскаватора. Это обеспечивается использованием в качестве емкостного накопителя суперконденсатора. При режиме рекуперации происходит преобразование кинетической энергии движущихся масс в электрическую энергию с помощью машин постоянного тока. При этом происходит заряд конденсатора, т.е. накопление электрической энергии, которая затем после окончания процесса рекуперации используется для работы двигателей. Так как в современных экскаваторах в цикле работы энергия рекуперации составляет от 10% до 30% от потребляемой машиной энергии, то применение суперконденсатора в качестве емкостного накопителя позволяет существенно повысить энергетические характеристики экскаватора. Предлагаемое техническое решение, использующее регулирование напряжения на суперконденсаторе в зависимости от суммы рекуперативных токов приводов, позволяет уменьшить колебания напряжения на нем и повысить эффективность его использования.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, электропривода и горных машин.
Известны суперконденсаторы в системах электропитания приводов, например, транспортных средств (Евстафьев А.М. Об использовании суперконденсаторов // Железнодорожный транспорт, 2010, №2. - С.31-32). В известных устройствах и предлагаемом техническом решении суперконденсаторы выполняют аналогичные функции - накопление энергии и эффективное использование энергии при рекуперации.
Признаки:
- датчики рекуперативных токов;
- пороговый элемент;
- блок суммирования рекуперативных токов, в известных устройствах аналогичного назначения не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором в качестве примера показана упрощенная типовая функциональная схема одноковшового экскаватора, поясняющая работу системы электропитания главных приводов экскаватора на примере экскаватора ЭКГ-5А. Схемы других отечественных экскаваторов аналогичные. На фиг.1 обозначено: 1, 2, 3 и 4 - транзисторные мостовые преобразователи с широтно-импульсным регулированием; 5 - транзисторный ключ аварийного сброса энергии; 6 - питающий фидер переменного тока; 7, 8, 9, 10, 11 - двигатели постоянного тока главных приводов (соответственно подъема, напора, поворота 1, хода и поворота 2); 12, 13, 14 и 15 - датчики рекуперативных токов главных приводов; 16 - сумматор рекуперативных токов главных приводов; 17 - понижающий трансформатор; 18 - пороговый элемент; 19 - блок регулирования тиристорного выпрямителя; 20 - тиристорный выпрямитель; 21 - реактор; 22 - датчик напряжения постоянного тока; 23 и 24 - силовые контакты коммутаторов двигателей поворота 1 и хода; 25 - суперконденсатор; 26 - шина постоянного тока с положительным потенциалом; 27 - шина постоянного тока с потенциалом общей точки.
Электропитание машины осуществляется от сети 6 напряжением 6 кВ. Понижающий трансформатор 17 обеспечивает электропитание оборудования напряжением 380 В.
Три электропривода главного движения экскаватора (напора, подъема и поворота/хода) выполнены по системе транзисторный преобразователь - двигатель постоянного тока. Для электропитания приводов используется локальная сеть постоянного тока, организованная с использованием тиристорного выпрямителя 20, сглаживающего реактора 21 и суперконденсатора 25. Выходное напряжение в локальной сети постоянного тока поддерживается постоянным с помощью блока регулирования 19, который также обеспечивает ограничение тока и управляемый «мягкий» заряд конденсаторов в звене постоянного тока при включении системы. Обратная связь в системе регулирования постоянного напряжения обеспечивается с помощью датчика напряжения 22, вход которого подключен к шине постоянного тока с положительным потенциалом 26, а выход подключен к входу блока регулирования 19.
Управление двигателями главных приводов (подъема 7, напора 8, поворота 9 и 11 и хода 10) осуществляется с помощью транзисторных мостовых преобразователей соответственно 1, 2, 3 и 4. Контакторы 23 и 24 предназначены для подключения к выходу транзисторного мостового преобразователя 3 одного из двух двигателей - поворота 9 или хода 10. Цепь, состоящая из транзисторного ключа 5 с резистором 28, предназначена для аварийного сброса энергии заряженных конденсаторов при недопустимом повышении на них напряжения при рекуперации.
Датчики 12, 13, 14 и 15 предназначены для измерения рекуперативных токов двигателей главных приводов (подъема, напора, поворота и хода). Сигналы с их выходов поступают на входы сумматора рекуперативных токов 16. Напряжение с выхода сумматора рекуперативных токов 16 через пороговый элемент 18 действует на входе регулятора напряжения.
Циклическая работа приводов экскаватора включает опускание ковша, черпание горной массы, подъем ковша, поворот, выгрузку ковша и поворот с опусканием ковша в забой. При этом происходит как потребление энергии приводами из питающей сети, так и преобразование механической энергии в электрическую энергию, осуществляющую заряд конденсаторов. Суперконденсатор 25 в этом процессе выполняет функцию промежуточного накопителя энергии, его заряд происходит как выходным током тиристорного управляемого выпрямителя, так и током рекуперации. При заряде от тиристорного выпрямителя 20 стабилизируется напряжение на суперконденсаторе 25 с помощью блока регулирования 19. Заряд суперконденсатора 25 током рекуперации является неуправляемым и приводит к увеличению напряжения на нем на величину
где С - емкость суперконденсатора; τ - длительность процесса рекуперации; i(t) - ток рекуперации.
Таким образом, при рекуперации происходит неконтролируемое изменение напряжения в звене постоянного тока. При этом в системе приводов экскаватора возможно потребление энергии одним приводом и рекуперация другим, например, при одновременном повороте и опускании ковша. В этом случае происходит обмен энергией между приводами через суперконденсатор.
В предлагаемом устройстве сумматор рекуперативных токов главных приводов 16 определяет полную сумму токов рекуперации. При превышении суммарным током уровня переключения порогового элемента 18 происходит изменение состояния последнего. Сигнал с выхода порогового элемента 18 поступает на вход блока регулирования 19, при этом происходит уменьшение сигнала задания напряжения звена постоянного тока до минимально допустимого уровня. В результате этого прекращается включение тиристоров управляемого выпрямителя 20. Заряд суперконденсатора происходит только током рекуперации. При прекращении рекуперации пороговый элемент 18 переключается в исходное состояние, восстанавливается исходное значение сигнала задания напряжения звена постоянного тока. Далее происходит стабилизация выходного напряжения звена постоянного тока. При этом за счет отключения тиристорного преобразователя снижается амплитуда колебаний напряжения в звене постоянного тока и улучшаются энергетические характеристики системы электропитания.
С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при реализации предлагаемого изобретения, было выполнено моделирование системы электропитания главных приводов экскаватора. На фиг.2 показаны диаграммы изменения напряжения на суперконденсаторе 25 без коррекции сигнала задания тиристорного выпрямителя (линия 31) и аналогичные диаграммы в системе электропитания при реализации предлагаемого изобретения (линия 32). Сравнение диаграмм показывает, что амплитуда колебаний напряжения в звене постоянного тока уменьшается на 30%.
Предлагаемая система электропитания главных приводов экскаватора реализована и успешно испытана на отечественных экскаваторах ЭКГ-5А.
Следовательно, использование в предлагаемой системе электропитания главных приводов экскаватора, содержащей понижающий силовой трансформатор, подключенный к его выходной обмотке тиристорный управляемый выпрямитель с блоком регулирования, реактор, первый вывод которого подключен к выходу тиристорного управляемого выпрямителя, а второй - к объединенной шине с положительным потенциалом питания группы транзисторных мостовых преобразователей, к выходам которых подключены якорные обмотки двигателей постоянного тока приводов подъема, напора, поворота, хода и резистор аварийного сброса, емкостной накопитель энергии, включенный между шинами постоянного тока, датчик напряжения постоянного тока, включенный между шинами питания транзисторных преобразователей, выход которого соединен с входом блока регулирования управляемого выпрямителя, дополнительное введение датчиков рекуперативных токов двигателей главных приводов, порогового элемента, блока суммирования рекуперативных токов, входы которого подключены к выходам датчиков рекуперативных токов двигателей главных приводов, а выход через пороговый элемент соединен с вторым входом блока регулирования тиристорного управляемого выпрямителя, и выполнение емкостного накопителя энергии в виде суперконденсатора, обеспечивает повышение энергетических характеристик экскаватора при различных режимах работы.
Использование предлагаемого технического решения на экскаваторах позволит повысить энергоэффективность работ в горной промышленности.