Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Режимы работы экскаваторных электроприводов 7
1.1. Требования, предъявляемые к электроприводам основных механизмов одноковшовых экскаваторов 7
1.2. Обзор систем управления экскаваторными электроприводами...9
1.3. Анализ применяемых систем управления электроприводов на карьерных экскаваторах 19
ГЛАВА 2. Статистический анализ работы экскаваторов с разными системами управления основных электроприводов на горнорудных предприятиях 24
2.1. Расчёт показателей надёжности различных систем на стадии проектирования 24
2.2. Сравнительный анализ реальных показателей надёжности различных систем управления 29
ГЛАВА 3. Разработка систем ТВ-Г-Д, ТП-Д для электроприводов основных механизмов экскаватора ЭКГ-4,6 (ЭКГ-5) ...42
3.1. Оптимальная структура электроприводов экскаваторов по системам ТВ-Г-Д, ТП-Д 42
3.2. Исходные данные для расчёта параметров систем ТВ-Г-Д, ТП-Д 47
3.3. Разработка инженерной методики для расчёта параметров систем ТВ-Г-Д, ТП-Д 55
3.4. Расчёт параметров основных электроприводов по системе ТВ - Г-Д 61
3.5. Расчёт параметров основных электроприводов по системе ТП-Д 84
3.6. Разработка математических моделей систем ТВ-Г-Д, ТП-Д с уточнённой механической частью 98
3.7. Моделирование переходных процессов электропривода подъёма экскаватора ЭКГ - 4,6 по системам ТВ-Г-Д, ТП-Д. Результаты моделирования 127
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования электроприводов экскаватора ЭКГ-4,6 (ЭКГ-5) 139
4.1. Практическое использование теоретических и экспериментальных исследований. Результаты внедрения 139
Заключение 149
Приложение 151
- Анализ применяемых систем управления электроприводов на карьерных экскаваторах
- Сравнительный анализ реальных показателей надёжности различных систем управления
- Исходные данные для расчёта параметров систем ТВ-Г-Д, ТП-Д
- Разработка математических моделей систем ТВ-Г-Д, ТП-Д с уточнённой механической частью
Введение к работе
В условиях экономических трудностей горные предприятия имеют ограниченные возможности обновления действующего парка машин и установок. При этом основным путём поддержания работоспособности и улучшения технических показателей технологического оборудования является модернизация главных электроприводов. В данной работе ставится задача разработки и исследования систем управления главными электроприводами одноковшовых экскаваторов типа ЭКГ-4,6, ЭКГ-5 для их модернизации с целью повышения производительности, сокращения простоев при отказах, уменьшения износа механического оборудования и сокращения потребления электроэнергии.
Гусеничные экскаваторы — лопаты средней производительности типа ЭКГ — 4,6, ЭКГ — 5 являются самыми массовыми экскаваторами. В России ими выполняется большой объем земляных работ, связанных с сооружением каналов и гидротехнических устройств, мелиорацией и осушением земель, разработкой полезных ископаемых открытым способом: на угольных разрезах, строительных карьерах, на железорудных карьерах горно — обогатительных комбинатов.
В настоящее время электроприводы основных механизмов одноковшовых экскаваторов ЭКГ — 4,6, ЭКГ - 5 выполнены по системе «магнитный усилитель — генератор — двигатель» (МУ-Г-Д) на магнитных усилителях типа ПДЦ-1,5 В. Но в силу своих недостатков:
1. силовой магнитный усилитель обладает значительной электромагнитной инерцией (Тл/у=0,08-0,15с), что ограничивает быстродействие;
2. для снижения постоянной времени ТМУ в цепь каждой его обмотки управления вводятся большие добавочные сопротивления, что существенно увеличивает и без того значительную мощность управления усилителем, габариты и является трёхкратное преобразование энергии, что приводит к снижению к.п.д. таких систем до уровня 7(К75%. Кроме этого, система Г-Д обладает большой массой, габаритными размерами и высокой стоимостью, что определяет необходимость исследований и разработки новых перспективных систем экскаваторного электропривода с использованием статических преобразователей энергии. Решение этой задачи может быть осуществлено при переходе к системам ТП-Д и ПЧ-АД.
Данная работа является частью большой работы, связанной с модернизацией экскаваторов ЭКГ — 4,6 (ЭКГ-5) по системам ТВ-Г-Д и ТП-Д.
Анализ применяемых систем управления электроприводов на карьерных экскаваторах
Крупнейший в Европе железорудный бассейн КМА объединяет три горнорудных предприятия — Лебединский, Стойленский и Михайловский горно-обогатительные комбинаты. Добыча полезных ископаемых путём открытых разработок на этих комбинатах ведётся экскаваторами средней и большой производительности. Экскаваторный парк этих предприятий, рассматривая только экскаваторы-лопаты ЭКГ-4,6, ЭКГ-8И, ЭКГ-10, представлен следующими системами управления электроприводов: 1. Г-Д с магнитными усилителями, разработанная кафедрой АЭП МЭИ. В эксплуатации около 60 экскаваторов; 2. ТВ-Г-Д, разработанная ОАО «Электропривод». В эксплуатации 15 экскаваторов; 3. ТВ-Г-Д, разработанная кафедрой АЭП МЭИ. В эксплуатации 20 экскаваторов; 4. ТВ-Г-Д, разработанная электротехнической фирмой АО «Электросила». В эксплуатации 15 экскаваторов. В настоящее время за счет модернизаций разной глубины и объёмов, проводимыми ГОКами осуществляется замена магнитных усилителей на тиристорные. Для экскаваторов, работающих в тяжёлых условиях, эта задача является достаточно сложной в связи с более сложной системой управления. Разработчики системы Г- Д с тиристорными возбудителями учитывают сложный комплекс требований, которым должны удовлетворять новые системы управления основных электроприводов, главными из которых являются надежность и простота эксплуатации. Однако решаются эти проблемы по разному.
В системе управления ТВ-Г-Д (ОАО «Электропривод») цель достигается за счет максимального упрощения конструкции тиристорного преобразователя (типа Б3801), - он смонтирован в унифицированной блочной конструкции БУК-в, с однополупериодной схемой выпрямления без резервирования на экскаваторе. Применяется двухконтурная система подчиненного регулирования. В системе управления ТВ-Г-Д (АЭП МЭИ) цель достигается за счет применения моноблочной безналадочной конструкции тиристорного
преобразователя, обеспечивающей отсутствие простоев экскаваторов за счет замены неисправного блока резервным. За основу принята нулевая трехпульсная схема выпрямления с минимальным числом электронных компонентов. Применяется двухконтурная система подчиненного регулирования с двухступенчатым зависимым задатчиком интенсивности, обеспечивающим ограничение di„ \ dt и снижение динамических нагрузок механического оборудования главных электроприводов.
В системе управления ТВ-Г-Д (АО «Электросила») очевиден расчет разработчика на то, что высокую надежность может обеспечить применение неограниченно большого количества элементов за счет резервирования отдельных плат (ячеек) и силовых блоков, создания индивидуальных ячеек диагностики рабочих ячеек. Конструктивно — это кассеты с втычными платами, БУК-Б- Применяется двухконтурная система с рядом гибких связей, которые, как считает разработчик, не должны осложнить наладку и эксплуатацию электроприводов.
Задачу модернизации по заказам ГОКов ОАО «Рудоавтоматика» решает на базе разработанных кафедрой АЭП МЭИ по заданию НКМЗ преобразователей ПТЭМ-1Р первого поколения. На основании многолетнего опыта эксплуатации тиристорных преобразователей ПТЭМ-1Р, с учётом результатов трёхлетних статических исследований их надёжности на экскаваторах Михайловского ГОКа и в комбинате Кемеровоуголь, и с использованием современных электронных комплектующих на кафедре АЭП МЭИ группой экскаваторного электропривода под руководством профессора, д.т.н. Ключева В.И. выполнена разработка серии преобразователей ПТЭМ-2Р второго поколения. Новая серия преобразователей ПТЭМ-2Р обеспечивает На сегодняшний день экскаваторы ЭКГ-8И с низковольтным комплектным устройством (НКУ) ЭГ-10-У2, ЭГ-8-У2 («Рудоавтоматика») работают в ОАО «Михайловский ГОК» - 4 экскаватора, ОАО «Стойленский ГОК» - 2 экскаватора, ОАО «Коршуновский ГОК» - 3 экскаватора, ОАО «Лебединский ГОК» - 3 экскаватора, ОАО «Оленегорский ГОК» - 6 экскаваторов, ОАО «Полтавский ГОК» - 5 экскаваторов, ОАО «Соколово-Сарбайский ГОК» - 11 экскаваторов, в Оренбургасбесте - 4 экскаватора, 2 экскаватора ЭШ-13/50 с НКУ ЭГ-10-У2 работают в ПО «Кемеровоуголь» разреза «Томуси некий». Выводы по главе. Основным видом электроприводов карьерных экскаваторов в ходе проведения модернизаций на горно-обогатительных комбинатах останется система ТВ-Г-Д постоянного тока. Она не требует вложения огромных средств и позволяет повысить производительность экскаваторов, уменьшить износ механического оборудования и потребления электроэнергии. Системы управления основными электроприводами постоянно усовершенствуются, и для разрабатываемых сегодня модернизаций действующих экскаваторов можно рекомендовать систему ТП-Д постоянного тока, система управления для которой выполняется на тиристорных преобразователях той-же серии ПТЭМ.
Сравнительный анализ реальных показателей надёжности различных систем управления
За время промышленных испытаний блока тиристорных возбудителей БТВ - 1 были испытаны различные режимы работы основных электроприводов: подъёма, поворота, хода (длительная работа на холостом ходу и под нагрузкой).
В апреле 2003 г. на экскаваторе ЭКГ-4,6 № 29 Рудоуправления ОАО «Лебединский ГОК» совместно с ОАО «Рудоавтоматика» был внедрён блок БТВ — 1 (акт прилагается). В панели № 2 НКУ ПГА 4402-42Н1 были демонтированы магнитные усилители типа ПДД— 1,5В, и на их место установлен блок БТВ-1. Дополнительно в панели были установлены автоматические выключатели для запитки тиристорных преобразователей. В схему ТВ-Г-Д были введены выбранные датчики тока и напряжения фирмы LEM. Схема размещения электрооборудования на экскаваторе ЭКГ-4,6 при проведении модернизации по системе ТВ-Г-Д, представлена в приложении 11.
Проведенные промышленные испытания блока БТВ — 1 и последующее его внедрение показали, что 1. увеличивается быстродействие главных приводов, и при номинальной длительности цикла Тщюм —20 с, время цикла экскаватора ЭКГ-4,6 по системе ТВ-Г-Д сокращается на 5-10% и составляет 18-19 с; 2. снижается удельный расход электроэнергии в среднем на 3% и составляет по показанию счётчика 3,54 кВт/т.т.; 3. осуществляется плавный выбор зазоров в механизмах напора и поворота и слабины канатов в механизме подъёма; 4. повышается производительность за счёт снижения динамических нагрузок электродвигателей и механического оборудования, уменьшения износа, и соответствующего увеличения межремонтных сроков на 5-6%. С 10.04.2003г. по 12.04.2003г на экскаваторе ЭКГ-4,6 № 28 Рудоуправления ОАО «Лебединский ГОК», совместно с ОАО «Рудоавтоматика» были проведены промышленные испытания системы ТП - Д на электроприводе подъёма (акт прилагается). Целью промышленных испытаний является последующая модернизация экскаватора ЭКГ-4,6 по системе ТП — Д. При поведении промышленных испытаний использовался реверсивный мостовой преобразователь, который комплектуется из двух модульных преобразователей второго поколения типа ПТЭМ — 2Р - 42 ведущего и ведомого. Система управления электропривода реализована на ячейке обвязки датчиков (ЯОД). Проведенные промышленные испытания системы ТП — Д электропривода подъёма подтвердили работоспособность этой системы и показали, что 1. увеличивается быстродействие главных приводов, и при номинальной длительности цикла Тцном -20 с, время цикла экскаватора ЭКГ-4,6 по системе ТП - Д сокращается на 15-20% и составляет 16-17 с; 2. снижается удельный расход электроэнергии в среднем на 8% и составляет по показанию счетчика 1,34 кВт/т.т.; 3. электромашинный преобразовательный агрегат заменяется статическим, что позволяет исключить проблемы связанные с коллекторно-щёточными узлами, подшипниками генераторов. 4. осуществляется плавный выбор зазоров в механизмах напора и поворота и слабины канатов в механизме подъёма; 5. повышается производительность за счёт снижения динамических нагрузок электродвигателей и механического оборудования, уменьшения износа, и соответствующего увеличения межремонтных сроков на 5-6%. Схема размещения электрооборудования на экскаваторе ЭКГ-4,6 при проведении модернизации по системе ТП - Д, представлена в приложении 11. Основные научные результаты диссертационной работы были использованы при разработке НКУ ЭГ-10-У2 ОАО «Рудоавтоматика» для экскаватора ЭКГ-10 № 130, эксплуатируемого в Рудоуправлении ОАО "Лебединский горно-обогатительный комбинат" (акт прилагается). Материалы исследований автора послужили основой для разработки структуры электроприводов, расчёта коэффициентов усиления регуляторов, создания методик наладки. Осциллограммы, полученные в результате проведения пусконаладочных работ на экскаваторе ЭКГ — 10 № 130, представлены на рис.4.2 - 4.14. Исследование графика зависимости температуры электродвигателя подъёма типа МПЭ-350-900 У2 от формы электромеханической характеристики (приложение 10), проведенное на экскаваторе ЭКГ — 10 № 130, показало, что предельным изменением коэффициента регулятора ЭДС на втором участке электромеханической характеристики должно быть не более 6-7-ми кратного его уменьшения. Проведенные промышленные испытания систем ТВ-Г-Д и ТП-Д на действующих экскаваторах и последующая их работа подтвердили, что при таком значении Крэ температура якоря электродвигателя подъёма не превышает 60-65 С, а температура корпуса не превышает 35-38 С.
Исходные данные для расчёта параметров систем ТВ-Г-Д, ТП-Д
За время промышленных испытаний блока тиристорных возбудителей БТВ - 1 были испытаны различные режимы работы основных электроприводов: подъёма, поворота, хода (длительная работа на холостом ходу и под нагрузкой).
В апреле 2003 г. на экскаваторе ЭКГ-4,6 № 29 Рудоуправления ОАО «Лебединский ГОК» совместно с ОАО «Рудоавтоматика» был внедрён блок БТВ — 1 (акт прилагается). В панели № 2 НКУ ПГА 4402-42Н1 были демонтированы магнитные усилители типа ПДД— 1,5В, и на их место установлен блок БТВ-1. Дополнительно в панели были установлены автоматические выключатели для запитки тиристорных преобразователей. В схему ТВ-Г-Д были введены выбранные датчики тока и напряжения фирмы LEM. Схема размещения электрооборудования на экскаваторе ЭКГ-4,6 при проведении модернизации по системе ТВ-Г-Д, представлена в приложении 11.
Проведенные промышленные испытания блока БТВ — 1 и последующее его внедрение показали, что 1. увеличивается быстродействие главных приводов, и при номинальной длительности цикла Тщюм —20 с, время цикла экскаватора ЭКГ-4,6 по системе ТВ-Г-Д сокращается на 5-10% и составляет 18-19 с; 2. снижается удельный расход электроэнергии в среднем на 3% и составляет по показанию счётчика 3,54 кВт/т.т.; 3. осуществляется плавный выбор зазоров в механизмах напора и поворота и слабины канатов в механизме подъёма; 4. повышается производительность за счёт снижения динамических нагрузок электродвигателей и механического оборудования, уменьшения износа, и соответствующего увеличения межремонтных сроков на 5-6%. С 10.04.2003г. по 12.04.2003г на экскаваторе ЭКГ-4,6 № 28 Рудоуправления ОАО «Лебединский ГОК», совместно с ОАО «Рудоавтоматика» были проведены промышленные испытания системы ТП - Д на электроприводе подъёма (акт прилагается). Целью промышленных испытаний является последующая модернизация экскаватора ЭКГ-4,6 по системе ТП — Д. При поведении промышленных испытаний использовался реверсивный мостовой преобразователь, который комплектуется из двух модульных преобразователей второго поколения типа ПТЭМ — 2Р - 42 ведущего и ведомого. Система управления электропривода реализована на ячейке обвязки датчиков (ЯОД). Проведенные промышленные испытания системы ТП — Д электропривода подъёма подтвердили работоспособность этой системы и показали, что 1. увеличивается быстродействие главных приводов, и при номинальной длительности цикла Тцном -20 с, время цикла экскаватора ЭКГ-4,6 по системе ТП - Д сокращается на 15-20% и составляет 16-17 с; 2. снижается удельный расход электроэнергии в среднем на 8% и составляет по показанию счетчика 1,34 кВт/т.т.; 3. электромашинный преобразовательный агрегат заменяется статическим, что позволяет исключить проблемы связанные с коллекторно-щёточными узлами, подшипниками генераторов. 4. осуществляется плавный выбор зазоров в механизмах напора и поворота и слабины канатов в механизме подъёма; 5. повышается производительность за счёт снижения динамических нагрузок электродвигателей и механического оборудования, уменьшения износа, и соответствующего увеличения межремонтных сроков на 5-6%. Схема размещения электрооборудования на экскаваторе ЭКГ-4,6 при проведении модернизации по системе ТП - Д, представлена в приложении 11. Основные научные результаты диссертационной работы были использованы при разработке НКУ ЭГ-10-У2 ОАО «Рудоавтоматика» для экскаватора ЭКГ-10 № 130, эксплуатируемого в Рудоуправлении ОАО "Лебединский горно-обогатительный комбинат" (акт прилагается). Материалы исследований автора послужили основой для разработки структуры электроприводов, расчёта коэффициентов усиления регуляторов, создания методик наладки. Осциллограммы, полученные в результате проведения пусконаладочных работ на экскаваторе ЭКГ — 10 № 130, представлены на рис.4.2 - 4.14. Исследование графика зависимости температуры электродвигателя подъёма типа МПЭ-350-900 У2 от формы электромеханической характеристики (приложение 10), проведенное на экскаваторе ЭКГ — 10 № 130, показало, что предельным изменением коэффициента регулятора ЭДС на втором участке электромеханической характеристики должно быть не более 6-7-ми кратного его уменьшения. Проведенные промышленные испытания систем ТВ-Г-Д и ТП-Д на действующих экскаваторах и последующая их работа подтвердили, что при таком значении Крэ температура якоря электродвигателя подъёма не превышает 60-65 С, а температура корпуса не превышает 35-38 С.
Разработка математических моделей систем ТВ-Г-Д, ТП-Д с уточнённой механической частью
По мнению фирмы «Bucyrus-Erie» [11], большая перегрузочная способность и отсутствие коммутационных ограничений позволяет увеличить производительность экскаватора на 4-5% и снизить себестоимость вынутого грунта на 8-9% по сравнению с электроприводом ТП-Д. При этом производительность механизма подъёма примерно равная, а повышение производительности достигается за счёт лучшей работы механизмов напора и поворота, благодаря более высоким моментам и меньшей инерционности электродвигателей. Основной выигрыш при применении электроприводов переменного тока достигается за счёт большей перегрузочной способности двигателей, большей допустимой скорости и меньших эксплуатационных расходов. Эксплуатация выпущенных фирмой «Bucyrus-Erie» экскаваторов 295-В11 и 395В, оборудованных системой ПЧ-АД со звеном постоянного тока с неуправляемым выпрямителем на входе и автономным инвертором с ШИМ, показала удовлетворительную надежность и высокое качество работы. Однако отсутствие рекуперации энергии тормозных режимов определило неудовлетворительный средневзвешенный КПД за цикл, уступающий аналогичному показателю системы Г-Д. В настоящее время признано, что применение на экскаваторах систем электропривода, не обеспечивающих рекуперацию энергии в сеть, недопустимо.
Основной тенденцией в мировой практике развития систем ПЧ-АД является использование преобразователей частоты со звеном постоянного тока с ШИМ на силовых транзисторах IGBT. Соответственно в предлагаемых схемах автономные инверторы всех приводов подключаются к общей сети постоянного напряжения. Для обеспечения рекуперации энергии тормозных режимов питание сети постоянного тока осуществляется от управляемого транзисторного или тиристорного преобразователя.
Из-за наличия двух ступеней преобразования энергии НКУ таких систем обладают большой массой и габаритными размерами. Используемые в этих системах силовые ключи обладают специфическими свойствами управления, подвержены влиянию помех и имеют небольшую перегрузочную способность. Совокупность этих фактов обуславливает относительно невысокую надежность этих силовых ключей применительно к их использованию в преобразовательных устройствах управления экскаваторными электроприводами. Потенциальная связь между всеми главными приводами экскаватора, как показывает практика, снижает надежность работы в связи с характерной для экскаваторов повышенной вероятностью замыкания на корпус. Кроме того, электронные компоненты преобразователей со звеном постоянного тока чаще всего рассчитаны на диапазон температур окружающей среды от 0С до +40С, что противоречит требованиям к экскаваторным электроприводам, описанным выше.
Преобразователи по системе НПЧ-АД не имеют недостатков, свойственных преобразователям со звеном постоянного тока. Преобразование энергии в них осуществляется в одну ступень. В качестве силовых ключей. используются незапираемые тиристоры, обладающие относительно большим током управления, что исключает влияние помех, и имеющие десятикратную перегрузочную способность. Системы, построенные по системе НПЧ-АД, предусматривают потенциальную развязку приводов использованием отдельных силовых трансформаторов на каждый привод. Системы управления тиристорных преобразователей в основном имеют компоненты, рассчитанные на промышленный диапазон температур окружающей среды — от -40С до +40С. Конечно же, системы НПЧ-АД имеют свойственные им недостатки, отсутствующие в системах со звеном постоянного тока. Недостатком подобных систем НПЧ-АД является ограничение диапазона рабочих частот максимальной частотой 25Гц, а также формирование токов с довольно большим искажением. Но во многих случаях максимальной частоты тока в 25Гц оказывается достаточно, а искажения токов не существенно влияют на работу привода.
К 2000 г. фирма «Bucyrus-Erie» изготовила около 150 экскаваторов с электроприводами переменного тока различных модификаций. На экскаваторах последних выпусков применяется система АИН модели «Acutrol-З» на запираемых тиристорах с полностью цифровыми системами управления. У нас в стране «Уралмашзавод» применил на одном из экскаваторов ЭШ-20/90 систему НПЧ-АД на основе тиристорных преобразователей постоянного тока, разработанных ранее ВНИИЭлектропривод для системы ТП-Д экскаватора ЭКГ-20. Завод НКМЗ на экскаваторе ЭШ-6/45 применил систему НПЧ-АД с модульными тиристорными преобразователями постоянного тока, разработанными МЭИ [5].
