Унифицированные энергоэффективные электромеханические системы электропривода экскаваторно-транспортного комплекса

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

УДК 621.313

Козярук А.Е., Таранов С.И.

Унифицированные энергоэффективные электромеханические системы

ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЭКСКАВАТОРНО-ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА

На горнодобывающих предприятиях важнейшими задачами являются снижение себестоимости продукции и повышение энергоэффективности при росте объемов выпускаемой продукции. Данные факторы указывают на увеличение нагрузки на существующие производственные мощности, что влечет за собой снижение срока службы оборудования. В данной статье рассмотрены основные стратегические направления развития горнотранспортного комплекса (ГТК), предложен подход к унификации состава оборудования в структуре привода, что позволит оптимизировать работу ГТК предприятий и, как следствие, сократить себестоимость выпускаемой продукции.

Ключевые слова: самосвал, экскаватор, унификация, оптимальная загрузка, электропривод, режимы работы.

Введение

Основными составляющими рентабельного функционирования добывающих предприятий является эффективная организация основных и обслуживающих производственных процессов, в частности, организация системы обслуживания существующих добычных машин и оборудования и формирование горнотранспортного комплекса, которые являются основой для бесперебойной работы добывающего предприятия [1].

Для увеличения энергоэффективности функционирования ГТК необходимо изменить стратегический подход к использованию и обслуживанию основных добывающих мощностей. Для этого можно выделить следующие направления стратегического развития:

- связь экскаватора и самосвала в добычной комплекс и оптимизация времени, затрачиваемого на загрузку автосамосвала;

- переход на использование электропривода переменного тока на основных рабочих узлах экскаватора и самосвала;

- унификация структуры электропривода самосвала и экскаватора;

- единый подход к диагностике остаточного ресурса электромеханического оборудования ГТК;

- использование высокоэффективных алгоритмов формирования выходного напряжения преобразователя.

Рекомендации по созданию ГТК

Вследствие роста объемов выемки горной массы растет потребность в увеличении типоразмеров экскаваторов и самосвалов. Исходя из мировой практики выбора вместимости ковша экскаватора и грузоподъемности самосвала, число циклов экскавации для оптимальной загрузки одного самосвала не должно превышать 3-5 [2].

Данный подход является наиболее оптимальным и экономичным при работе ГТК, поскольку позволяет сокращать время простоя экскаватора и самосвалов. Из этого следует, что выбор типа самосвала и экскаватора для определенного вида работ и их связь в комплекс является первоочередной задачей. В таблице приведено сопоставление экскаваторов и самосвалов, обеспечивающее необходимое число циклов экскавации.

Перспективная линеика экскаваторов _и самосвалов [4]

Тип экскаватора

Рекомендуемая грузоподъемность самосвала, т

ЭКГ-12К, ЭКГ-12М

90-150

ЭКГ-18Р/20К, ЭКГ-20М

120-180

ЭКГ-32Р, ЭКГ-35К

190-240

ЭКГ-40

250-320

ЭКГ-50

320-450

Экскаваторы ЭКГ-32 и ЭКГ-50, производимые ООО «ИЗ-КАРТЕКС им. П.Г. Коробкова», оснащаются электроприводом переменного тока с цифровой системой управления на основе асинхронного двигателя с КЗ ротором. Это значительно повышает надежность привода, увеличивает его КПД, улучшает динамические характеристики и снижает энергопотребление [3]. Связь экскаватора и самосвала в добычной комплекс должна производиться с учетом вышеуказанных критериев. Примером горнотранспортного комплекса может служить комплекс на основе экскаватора ЭКГ 32Р и самосвала БелАЗ грузоподъемностью от 190 до 240 т. Вместимость сменных ковшей экскаватора ЭКГ 32Р составляет 26, 35 и 42 м3. В ковше экскаватора может находиться до 63 т массы породы, исходя из этого выбирается используемый тип ковша и грузоподъемность самосвала, обслуживающего экскаватор.

Для примера расчета по основным критериям (оптимальному числу циклов экскавации самосвала и весовому модулю) возьмем вариант с самосвалом грузоподъемностью 220 т и вместимостью ковша экскаватора 35 м3 (с максимальным весом породы в ковше до 63 т). В этом случае число циклов экскавации будет численно равно весовому модулю:

а 220

п= п = ^ =-= 3,49,

в а 63 , ,

где - весовой модуль; п - число циклов экскава-

ции; q - грузоподъемность породы в ковше экскаватора.

самосвала; q - масса

Такое соотношение обеспечивает загрузку самосвала за 4 цикла экскавации, что попадает в заданный диапазон и является приемлемым с точки зрения построения рабочего процесса.

Унификация состава ЭП

Логичным является вопрос унификации электроприводов самосвалов и экскаваторов, что позволит достичь значительного экономического эффекта при эксплуатации ГТК. Рассматривать возможность унификации необходимо, прежде всего, в структуре и алгоритмах системы управления приводом. На рис. 1 и 2 [4] приведены электрические схемы существующих электроприводов переменного тока экскаваторов и самосвалов. Как видно из рис. 1 и 2, разница структуры состоит только в способе получения питающего напряжения: экскаватор получает питание от высоковольтной линии 6 кВ, подходящей к нему в виде гибкого кабеля; самосвал получает питание от синхронного генератора СГ, приводимого во вращение дизельным двигателем.

Приводы содержат в своем составе выпрямитель и двухуровневый автономный инвертор напряжения. Применение активного выпрямителя в схемах электропривода экскаватора обусловлено его возможностью обеспечивать значение коэффициента мощности, близкого к единице, меньший коэффициент нелинейных искажений (по сравнению с диодным многопульс-ным выпрямителем), а также возможность работы во всех четырех квадрантах механической характеристики с автоматической рекуперацией энергии в питающую сеть [5, 6].

. Мрнкы дола

Рис. 1. Схема приводов переменного тока экскаватора ЭКГ 32 Р

Схема управления активным выпрямителем построена по векторному принципу с ориентацией по вектору напряжения сети. Особенности режимов работы привода - ударные нагрузки, необходимость ограничения которых определяет требования по максимальному быстродействию в контуре момента.

В системах управления приводами может быть реализован один из способов формирования напряже-

ния питания: PWM (Pulse Width Modulation), SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation), DTC (Direct Torque Control). Способ формирования напряжения с помощью PWM требует постоянной частоты переключения ключей инвертора. Кроме того, для нормальной работы двигателя выпрямленное напряжение на входе инвертора должно в 2 раза превышать амплитудное значение фазного напряжения двигателя (включенного в «звезду»). Этот способ широко применяется ввиду простоты его реализации и благодаря плавности вращения вектора напряжения [7].

Рис. 2. Схема привода переменного тока самосвала «БелАз» грузоподъемностью 130-220 т

Ранее в различной литературе были рассмотрены структуры электропривода с применением систем DTC, обеспечивающих максимальное быстродействие по контуру момента. Система формирования напряжения DTC выполнена по алгоритму прямого управления моментом, имеет более простую процедуру настройки, в отличие от систем PWM и SVPWM, и содержит всего один ПИ-регулятор скорости. Способ формирования напряжения основан на табличном переключении ключей инвертора, при этом ключи переключаются релейными регуляторами, работающими в скользящем режиме.

Сигналом обратной связи во внешнем контуре служит сигнал, поступающий с датчика частоты вращения двигателя. В системах DTC это либо измеренный сигнал на выходе вращающегося датчика частоты вращения ротора двигателя, либо вычисленный сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя в так называемых бездатчиковых системах. Необходимо отметить, что используемый в литературе термин «бездатчиковый» («sensorless») относится только к вращающемуся датчику частоты вращения. Наличие в системах DTC датчиков напряжения и тока статора двигателя обязательно. Внутренние контуры регулирования в системе DTC представляют собой дискретную часть системы. Они содержат релейные регуляторы потокосцепления статора и электромагнитного момента двигателя. Эти регуляторы обязательно должны иметь гистерезисный допуск. В зарубежных публикациях такие регуляторы называются «hysteresis flux comparator» и «hysteresis torque comparator» [7].

Выводы

1. Увеличение типоразмеров экскаваторов при условии их использования в комплексе с самосвалами соответствующей грузоподъемности позволит снизить себестоимость извлечения горной массы.

2. Наиболее приемлемым типом электропривода для ГТК является привод переменного тока на основе асинхронных электродвигателей.

3. Высокая степень унификации ЭМО позволит снизить его стоимость на стадии проектирования, а

также сократить расходы при эксплуатации и ремонте оборудования.

Список литературы

1. Паладеева Н.И. Современные тенденции рынка экскаваторов для горных предприятий // Горное оборудование и электромеханика. 2011. №5. С. 10-14.

2. Козярук А.Е., Самолазов А.В., Таранов С.И. Направления повышения эффективности эксплуатации экскаватор-но-автомобильных комплексов на открытых горных работах // Горное оборудование и электромеханика. 2014. №1. С. 611.

3. Карьерный автотранспорт стран СНГ в XXI веке / П.А. Мариев, А.А. Кулешов, А.Н. Егоров, И.В. Зырянов СПб.: Наука, 2006. 387 с.

4. Ганин А.Р., Донченко Т.В., Шибанов Д.А. Практиче

ские результаты внедрения экскаваторов новой продуктовой линейки ООО «ИЗ'КАРТЭКС имени П.Г. Коробкова» на горных предприятиях России // Горная промышленность. 2013. №2(108). С. 2-5.

5. Высокодинамичные энергоэффективные электроприводы горных машин / Б.З. Дробкин, А.Е. Козярук, А.П. Емельянов, А.П. Свириденко // Горное оборудование и электромеханика. 2011. №4. С. 34-39.

6. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями (моделирование, расчет, применение): монография / М.В. Пронин, А.Г. Воронцов, П.Н. Калачиков, А.П. Емельянов. СПб.;М.: Силовые машины: Электросила, 2004. 252 с.

7. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Прямое управление моментом в электроприводе переменного тока машин и механизмов горного производства. СПб.: СПГГИ (ТУ), 2008. 100 с.

Information in English

Unified Energy Efficient Electromechanical Systems of Excavator-Transport Complex Electric Drive

Kozjaruk A.E., Taranov S.I.

At the mining enterprises the major tasks are decrease in product cost and energy efficiency increase with a growth of outputs. These factors indicate increase in loading at existing capacities that involves decrease in service life of the equipment. In this article the main development strategic directions of a mining-transport complex are considered, a new approach to unification of structure of the equipment in drive structure that will allow to optimize the work of the enterprises of mining-transport complexes is offered and, as a result, to reduce the prime cost of products.

Keywords: truck, excavator, unification, optimum work load, electric drive, modes of operation.

References

1. Paladeeva N.I. Sovremennye tendencii rynka ekskavatorov dlja gornyh predprijatij [Modern trends in the market of excavators for mining companies]. Gornoe oborudovanie i elektromehanika [Mining equipment and electromechanics]. 2011, no.5, pp. 10-14.

2. Kozjaruk A.E., Samolazov A.V., Taranov S.I. Napravlenija povyshenija jeffektivnosti jekspluatacii jekskavatorno-avtomobilnyh kompleksov na otkrytyh gornyh rabotah [Ways of operating efficiency improvement for excavator and automobile complexes in open cast mining]. Gornoe oborudovanie i elektromehanika [Mining equipment and electromechanics]. 2014, no.1, pp. 6-11.

3. Mariev P.A., Kuleshov A.A., Egorov A.N., Zyrjanov I.V. Karyernyj avtotransport stran SNG v XXI veke [Open-pit

vehicles of CIS countries in the XXI century]. SPb.: Nauka, 2006. 387 p.

4. Ganin A.R., Donchenko T.V., Shibanov D.A. Prakticheskie rezultaty vnedrenija jekskavatorov novoj produktovoj linejki OOO «IZ'KARTJeKS imeni P.G. Korobkova» na gornyh predprijatijah Rossii [The results of excavators application from the new product range of P.G. Korobkov IZ'KARTJeKS ltd. At mining enterprises of Russia]. Gornaja promyshlennost [Mining industry]. 2013, no.2(108), pp. 2-5.

5. Drobkin B.Z., Kozjaruk A.E., Emeljanov A.P., Sviridenko A.P. Vysokodinamichnye energoeffektivnye elektroprivody gornyh mashin [Dynamic energy-efficient electric drives of mining machines]. Gornoe oborudovanie i elektromehanika [Mining equipment and electromechanics]. 2011, no.4, pp. 34-39.

6. Pronin M.V., Voroncov A.G., Kalachikov P.N., Emel'janov A.P. J elektroprivody i sistemy s jelektricheskimi mashinami i poluprovodnikovymi preobrazovateljami (modelirovanie, raschet, primenenie) [Electric drives and systems with electrical machines and semiconductor converters (design, calculations, application)]: monograph. SPb.;M.: Silovye mashiny, Jelektrosila, 2004. 252 p.

7. Kozjaruk A.E., Rudakov V.V. Prjamoe upravlenie momentom v jelektroprivode peremennogo toka mashin i mehanizmov gornogo proizvodstva [Direct torque control in AC electric drives of mining machines and equipment]. SPb.: SPGGI (TU), 2008, 100 p.