Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния современного экскаваторного оборудования, постановка задачи управления технологическим процессом экскавации породы для экскаваторов - прямых лопат 9
1.1. Обзор существующих схем электроприводов главных механизмов карьерных экскаваторов 9
1.2. Анализ характерных недостатков существующих схем электроприводов карьерных экскаваторов 14
1.3. Методы и пути устранения недостатков существующих схем электроприводов карьерных экскаваторов 22
1.4. Цель и задачи модернизации существующих схем электроприводов карьерных экскаваторов 24
1.5. Выводы по первой главе 24
Глава 2. Математическое моделирование электроприводов главных механизмов карьерных экскаваторов 26
2.1. Особенности главных механизмов карьерных экскаваторов как объектов моделирования 26
2.2. Математические модели механической части механизмов подъема, напора и поворота 30
2.3. Математические модели электроприводов главных механизмов карьерного экскаватора 38
2.4. Результаты моделирования экскаваторных электроприводов 43
2.5. Выводы по второй главе 45
Глава 3. Статические возбудители для генераторов и двигателей электроприводов главных механизмов карьерных экскаваторов по системе Г-Д 46
3.1. Технические требования, предъявляемые к возбудителям генераторов и двигателей электроприводов экскаваторов 46
3.2. Особенности построения возбудителей на IGBT-модулях в электроприводах экскаваторов 48
3.3. Технические требования к системе управления и регулирования 51
3.3.1. Требования к аппаратной части 51
3.3.2. Цифровые регуляторы электроприводов главных механизмов экскаватора 52
3.3.3. Сопоставление качества работы аналогового и цифрового регуляторов на аналоговой модели привода 59
3.4. Реализация предложенных решений в низковольтном комплектном устройстве ШЗ801М У2 карьерного экскаватора ЭКГ-10 62
3.4.1. Транзисторные возбудители и микропроцессорная система управления 62
3.4.2. Управление релейно-контакторной схемой экскаватора 68
3.5. Алгоритмическое и программное обеспечение микропроцессорной системы управления 74
3.5.1. Алгоритмы регулирования 76
3.5.2. Широтно-импульсное регулирование 76
3.5.3. Алгоритмы диагностики и режимной автоматики 76
3.5.4. Алгоритмы обмена с панелью контроля и индикации 78
3.6. Выводы по третьей главе 78
Глава 4. Защита приводов, диагностика и локализация отказов 79
4.1. Защиты электроприводов главных механизмов экскаватора 79
4.1.1. Защита от отказов вычислительного ядра платы центрального контроллера 80
4.1.2. Защита от непоступления в вычислительное ядро сигналов заданий 81
4.1.3. Защита от отказов модулей IGBT и драйверов возбудителей 82
4.1.4. Защиты от недопустимого изменения напряжения на шинах звена постоянного тока 83
4.1.5. Контроль частоты 85
4.2. Классификация отказов 86
4.3. Принципы организации системы диагностики и локализации отказов 96
4.4. Алгоритмы диагностики 101
4.5. Выводы по четвертой главе 104
Глава 5. Исследования перенапряжений в обмотках возбуждения генераторов и двигателей карьерных экскаваторов при питании от транзисторных возбудителей 105
5.1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования 105
5.2. Экспериментальные исследования перенапряжений в обмотках возбуждения машин постоянного тока 107
5.2.1. Макет обмотки возбуждения (МОВ) и методика проведения исследований 107
5.2.1.1. Конструкция макета и принципиальная схема 107
5.2.1.2. Оценка адекватности параметров макета параметрам обмотки возбуждения 1094
5.2.1.3. Оценка влияния измерительной аппаратуры 113
5.2.2. Экспериментальные исследования перенапряжений на МОВ 114
5.2.2.1. Распределение фронта нарастания напряжения по элементам МОВ 114
5.2.2.2. Распределение перенапряжений по элементам МОВ 115
5.2.2.3. Распределение собственных колебаний по полюсам 118
5.2.2.4. Распределение перенапряжений по слоям МОВ 120
5.2.2.5. Распределение перенапряжений между слоями обмотки... 123
5.2.2.6. Распределение перенапряжений между витками 1 и 13 слоя обмотки 126
5.2.2.7. Влияние проводной линии на процессы в МОВ 128
5.2.2.8. Влияние шунтирующих цепочек на перенапряжения в обмотке возбуждения 129
5.3. Моделирование перенапряжений в обмотке возбуждения МПТ 131
5.4. Исследование влияния типа силовой линии и схем соединения обмоток возбуждения МПТ на перенапряжения 134
5.4.1. Влияние схемы соединения полуобмоток 135
5.4.2. Влияние типа линии при последовательном соединении обмоток возбуждения нескольких двигателей 137
5.4.3. Влияние R-C цепей 139
5.5. Волновые параметры проводной и кабельной линий связи 139
5.6. Выводы по пятой главе 141
Заключение 143
Литература и источники 144
- Обзор существующих схем электроприводов главных механизмов карьерных экскаваторов
- Особенности главных механизмов карьерных экскаваторов как объектов моделирования
- Особенности построения возбудителей на IGBT-модулях в электроприводах экскаваторов
- Принципы организации системы диагностики и локализации отказов
Введение к работе
Одноковшовые карьерные экскаваторы - лопаты являются основной горной машиной при производстве погрузочно-разгрузочных работ на открытых горных разработках. От бесперебойной работы экскаваторов существенно зависит эффективность работы горного предприятия в целом. Этим продиктованы весьма жесткие требования к производительности и эксплуатационной надежности карьерных экскаваторов.
Находящиеся сейчас в эксплуатации экскаваторы оснащены электроприводами главных механизмов по схеме силовой магнитный усилитель — генератор - двигатель (СМУ-Г-Д) постоянного тока - экскаваторы самых массовых серий ЭКГ-5А и ЭКГ-8И. На отдельных экскаваторах серии ЭКГ-10 и ЭКГ-12,5 использованы тиристорные возбудители генераторов, то есть, реализована система ТВ-Г-Д. На экскаваторах ЭКГ-20 использованы электроприводы с тири-сторными преобразователями в якорных цепях - схема ТП-Д.
В то же время сегодняшний уровень развития силовой преобразовательной техники позволяет с успехом применять в экскаваторных электроприводах полупроводниковые преобразователи на полностью управляемых коммутируемых элементах типа силовых транзисторных модулей (IGBT) и полностью управляемых (запираемых) тиристорах (IGCT).
Высокие динамические и эксплуатационные характеристики экскаваторных электроприводов могут быть обеспечены за счет разработки и использования новых алгоритмов управления, реализуемых с помощью современной микроэлектронной техники.
В части алгоритмического обеспечения системы регулирования экскаваторными электроприводами требуют совершенствования и унификации алгоритмов управления. В связи с особой важностью на современном этапе алгоритмического обеспечения экскаваторных электроприводов настоящая работа посвящена описанию структуры, алгоритмов и особенностей реализации со-
временных и перспективных систем управления электроприводами главных механизмов карьерных экскаваторов.
Недостатки, присущие существующим системам электроприводов главных механизмов экскаваторов, условно можно разделить на три группы:
I - Недостатки силовой схемы электроприводов. В системе Г-Д это боль
шая установленная мощность электрических машин; пониженный к.п.д.; высо
кая инерционность цепей возбуждения генераторов. В системе ТП-Д - низкий
коэффициент мощности из-за фазового управления тиристорами, проявление в
карьерных сетях высших гармонических составляющих тока, и, как следствие,
необходимость применения фильтрокомпенсирующих устройств.
II - Большое разнообразие систем управления, различные принципы фор
мирования экскаваторных характеристик не только у разных типов экскавато
ров, но и у разных механизмов одного и того же экскаватора и, даже, у одного и
того же электропривода при разных положениях рукоятки командоконтролле-
ра. Использование морально устаревшей элементной базы не позволяет реали
зовать современные принципы управления в экскаваторных приводах, что при
водит к сложностям при эксплуатации, наладке и обслуживании электроприво
дов.
III — Недостатки, связанные с необходимостью обеспечения непрерывно
го контроля состояния оборудования экскаватора в процессе эксплуатации и
диагностики технического состояния его отдельных узлов и систем.
Уровень систем контроля на существующих экскаваторах ограничивается установкой контрольно-измерительных приборов в кабине, а средства диагностики на них почти не предусмотрены. Система автоматизации должна решать в комплексе вопросы контроля состояния отдельных узлов машины, сигнализации о возникающих перегрузках, учета производительности, продолжительности и количества циклов экскавации, а также расхода электроэнергии. Создание подобной комплексной системы управления, информации и контроля возможно только на базе микропроцессорной техники.
Все перечисленные недостатки существующих систем электропривода главных механизмов экскаваторов негативным образом сказываются на эффективности работы не только электрического, но и механического оборудования.
Возможны различные пути преодоления перечисленных недостатков экскаваторных электроприводов. Модернизация электроприводов постоянного тока, безусловно, не является путем радикальным. На современном этапе очевидной становится необходимость перехода к электроприводам переменного тока с частотным управлением. В то же время достаточно продолжительный период эксплуатация экскаваторов с электроприводами постоянного тока будет про-должаться, особенно - экскаваторов с объемом ковша от 5 м до 10 м , так как они, в основном, ориентированы на небольшие карьеры. На таких предприятиях экономически и организационно трудно обеспечить в короткий срок массовое обновление экскаваторного парка.
С учетом очевидных недостатков существующей системы Г-Д основные направления совершенствования экскаваторных электроприводов следующие:
Модернизация системы возбуждения генераторов на основе применения статических возбудителей генераторов и двигателей главных механизмов с использованием силовых IGBT модулей.
Создание комплексной системы управления, информации и контроля путем возложения функций управления электроприводами главных механизмов, оперативного контроля состояния элементов и диагностики работоспособности системы на микропроцессорное управляющее устройство.
В настоящее время активно ведутся работы по созданию экскаваторного электропривода переменного тока, как в Российской Федерации, так и за рубежом. Среди них можно выделить работы Ключева В.И., Портного Т.З. Миронова Л.М., Постникова СМ., Сапелъникова А.С, Олъховикова Б.В., Березина В.В., Полинского М.Б., Дружинина А.В., Бабенко А.Г., Парфенова Б.М. и многих других. Из зарубежных разработок большой интерес представляют предложения фирм ABB и Siemens, вышедших на рынок с комплектными экскаваторными
электроприводами переменного тока.
В то же время создание современных комплектных систем экскаваторных электроприводов постоянного тока на сегодняшний день является актуальной задачей. В первую очередь они предназначены для модернизации существующего экскаваторного парка при максимальном сохранении силового электромеханического оборудования, но ими можно укомплектовать также новые машины на постоянном токе, выпуск которых пока еще не прекращен.
Защищаемые научные положения
Совершенствование системы управления электроприводами главных механизмов экскаватора с использованием современной элементной базы может быть выполнено на основании структуры и алгоритмов управления, полученных путем математического моделирования экскаваторных электроприводов с учетом особенностей механизма как объекта управления и с использованием стандартных пакетов программ.
Организация и алгоритм функционирования системы контроля и диагностики для экскаваторных электроприводов при помощи микропроцессорной системы управления, действующий в автоматическом режиме, позволяет эффективно производить поиск неисправностей, просмотр аналоговых и логических сигналов, а также настройку приводов без использования дополнительных приборов.
3. Математическое моделирование и экспериментальные исследования
процессов, возникающих в обмотках возбуждения машин постоянного тока при
питании от транзисторного возбудителя с широтно-импульсным регулировани
ем напряжения, позволяют оценить величину перенапряжений и начальное
распределение напряжения по элементам обмотки и кабельной линии.
Обзор существующих схем электроприводов главных механизмов карьерных экскаваторов
На сегодняшний день предприятия, на которых ведутся открытые горные работы, оснащены экскаваторами на гусеничном ходу типа «прямая лопата» серии ЭКГ.
Электроприводы главных механизмов экскаваторов строятся, в основном, по схеме силовой магнитный усилитель - генератор - двигатель (СМУ-Г-Д) постоянного тока. На отдельных машинах использованы тиристорные возбудители генераторов электроприводов главных механизмов, то есть, система построена по схеме тиристорный возбудитель - генератор - двигатель (ТВ-Г-Д). Имеется опыт создания карьерного экскаватора с системой электроприводов главных механизмов с силовыми управляемыми тиристорными преобразователями в якорных цепях исполнительных двигателей (система ТП-Д), реализованная на экскаваторах типа ЭКГ-20.
В зарубежной практике приводы главных механизмов карьерных экскаваторов аналогичного назначения и экскаваторного типажа оснащаются, по большей части, гидроприводом с первичным двигателем внутреннего сгорания (как правило, дизельным). Это объясняется тем, что такие фирмы, как Марион (США), Харнишфегер (США), Демаг (Германия) Бюсайрус (США), Менк (США) в большом объеме поставляют свою продукцию в слаборазвитые и развивающиеся страны, в которых открытые карьеры не электрифицированы. Тем не менее, известны серии экскаваторов типа «прямая лопата», так называемые, скальные экскаваторы, главные механизмы которых оснащены электроприводами. Фирма Марион оснащает такие машины электроприводами постоянного тока по системе Г-Д. Известна также серия экскаваторов на переменном токе фирмы Харнишфегер с электромагнитными муфтами.
В [7] приведены результаты исследования и перспективы развития экскаваторного электропривода научной школы МЭИ. Интересно отметить, что уже на ранних стадиях развития экскаваторного электропривода авторы (проф. Ключев В.И. и др.) не ставят задачу разработки принципиально отличных от общепринятых в теории электропривода принципов и структур автоматического управления.
Период перехода к экскаваторам с электронными системами управления (тиристорными возбудителями) назрел в конце 70-х годов, когда поступающие из-за рубежа экскаваторы уже были оснащены системой ТВ-Г-Д. В нашей стране интенсивную разработку таких систем вел ВНИИ электропривод в тесном взаимодействии с НИИ УЗТМ.
В обзоре [8] обобщен опыт объединения «Уралэнергоцветмет» по разработке тиристорных преобразователей и их эксплуатации на экскаваторах типа ЭКГ-4,6 и ЭКГ-8.
Фирма «General electric» (США) использовала полупроводниковые сие-темы возбуждения генераторов на экскаваторах с ковшом объемом до 10 м . Шведская фирма ASEA для экскаваторов с ковшом 19м, выпускаемых фирмой «Харнишфегер» (США), разработала тиристорные преобразователи для питания главных приводов.
В рассматриваемый период (70-е годы) неоднократно предпринимались попытки оснастить электроприводы главных механизмов карьерных экскаваторов системами тиристорного возбуждения. На экспериментальных машинах типа ЭКГ-4,6, ЭКГ-4,6Б, ЭКГ-8, были установлены системы ТВ-Г-Д. Однако в серийное производство они внедрены не были. Это объясняется, в первую очередь тем, что существовавшие в то время силовые тиристорные преобразователи были далеки от совершенства. Тем не менее, системы ТВ-Г-Д находились в промышленной эксплуатации на некоторых горно-обогатительных комбинатах Северо - Западного региона. Промышленные испытания прошли тиристорные преобразователи для главных приводов (ВНИИ электропривод) на экскаваторе ЭКГ-3,2 комбината «Фосфорит».
В дальнейшем уровень развития силовой полупроводниковой техники возрос настолько, что по показателям надежности, живучести и долговечности система электропривода ТВ-Г-Д стала вполне сопоставимой с системой СМУ-Г-Д. Что касается регулировочных свойств, то с введением в электроприводы главных механизмов экскаваторов системы регулирования с последовательной коррекцией они приобретают существенно лучшие динамические свойства по сравнению с системой СМУ-Г-Д.
В настоящее время системой ТВ-Г-Д оснащены последние модели экскаваторов ЭКГ-8И, ЭКГ-10, ЭКГ-12,5 и ЭКГ-15.
Принципы проектирования и требования к полупроводниковым преобразовательным устройствам обусловлены спецификой и тяжелыми условиями эксплуатации экскаваторного привода, поэтому технические решения, обеспечивающие надежную и эффективную работу электроприводов, могут быть разными и определяются подходами и технологиями предприятия-поставщика комплектного электрооборудования. К наиболее отработанным и обеспечивающим основные технические требования следует отнести комплектные электроприводы производства ОАО «Электросила» [9]. В ПРИЛОЖЕНИИ 7 приведено краткое описание комплекта электрооборудования ЭПЭ-ЭКГ10 У2 для экскаватора ЭКГ-10.
В [12] изложены требования к полупроводниковым преобразователям для привода экскаваторов и рекомендованы для использования преобразователи ПТЭМ-1Р и НКУ на их основе, освоенные специализированным предприятием АООТ «Рудоавтоматика», г. Железногорск.
Американские фирмы "Харнишфегер", "Марион" и "Бюсайрус-Ири" применяют на мощных карьерных машинах тиристорные электроприводы постоянного тока по схеме ТП-Д. В нашей стране впервые отказ от использования вращающихся преобразователей в силовых цепях экскаваторных электроприводов предпринят во ВНИИ Электропривод. Уралмашзавод изготовил мощный карьерный экскаватор ЭКГ-20, приводы основных механизмов которого выполнены по системе ТП-Д. Объединение «Уралэнергоцветмет» создало четыре модификации тири-сторных преобразователей, которые успешно прошли промышленные испытания (преобразователи типа КТП-Э).
Особенности главных механизмов карьерных экскаваторов как объектов моделирования
На сегодняшний день предприятия, на которых ведутся открытые горные работы, оснащены экскаваторами на гусеничном ходу типа «прямая лопата» серии ЭКГ.
Электроприводы главных механизмов экскаваторов строятся, в основном, по схеме силовой магнитный усилитель - генератор - двигатель (СМУ-Г-Д) постоянного тока. На отдельных машинах использованы тиристорные возбудители генераторов электроприводов главных механизмов, то есть, система построена по схеме тиристорный возбудитель - генератор - двигатель (ТВ-Г-Д). Имеется опыт создания карьерного экскаватора с системой электроприводов главных механизмов с силовыми управляемыми тиристорными преобразователями в якорных цепях исполнительных двигателей (система ТП-Д), реализованная на экскаваторах типа ЭКГ-20.
В зарубежной практике приводы главных механизмов карьерных экскаваторов аналогичного назначения и экскаваторного типажа оснащаются, по большей части, гидроприводом с первичным двигателем внутреннего сгорания (как правило, дизельным). Это объясняется тем, что такие фирмы, как Марион (США), Харнишфегер (США), Демаг (Германия) Бюсайрус (США), Менк (США) в большом объеме поставляют свою продукцию в слаборазвитые и развивающиеся страны, в которых открытые карьеры не электрифицированы. Тем не менее, известны серии экскаваторов типа «прямая лопата», так называемые, скальные экскаваторы, главные механизмы которых оснащены электроприводами. Фирма Марион оснащает такие машины электроприводами постоянного тока по системе Г-Д. Известна также серия экскаваторов на переменном токе фирмы Харнишфегер с электромагнитными муфтами.
В [7] приведены результаты исследования и перспективы развития экскаваторного электропривода научной школы МЭИ. Интересно отметить, что уже на ранних стадиях развития экскаваторного электропривода авторы (проф. Ключев В.И. и др.) не ставят задачу разработки принципиально отличных от общепринятых в теории электропривода принципов и структур автоматического управления.
Период перехода к экскаваторам с электронными системами управления (тиристорными возбудителями) назрел в конце 70-х годов, когда поступающие из-за рубежа экскаваторы уже были оснащены системой ТВ-Г-Д. В нашей стране интенсивную разработку таких систем вел ВНИИ электропривод в тесном взаимодействии с НИИ УЗТМ. В обзоре [8] обобщен опыт объединения «Уралэнергоцветмет» по разработке тиристорных преобразователей и их эксплуатации на экскаваторах типа ЭКГ-4,6 и ЭКГ-8. Фирма «General electric» (США) использовала полупроводниковые сие-темы возбуждения генераторов на экскаваторах с ковшом объемом до 10 м . Шведская фирма ASEA для экскаваторов с ковшом 19м, выпускаемых фирмой «Харнишфегер» (США), разработала тиристорные преобразователи для питания главных приводов. В рассматриваемый период (70-е годы) неоднократно предпринимались попытки оснастить электроприводы главных механизмов карьерных экскаваторов системами тиристорного возбуждения. На экспериментальных машинах типа ЭКГ-4,6, ЭКГ-4,6Б, ЭКГ-8, были установлены системы ТВ-Г-Д. Однако в серийное производство они внедрены не были. Это объясняется, в первую очередь тем, что существовавшие в то время силовые тиристорные преобразователи были далеки от совершенства. Тем не менее, системы ТВ-Г-Д находились в промышленной эксплуатации на некоторых горно-обогатительных комбинатах Северо - Западного региона. Промышленные испытания прошли тиристорные преобразователи для главных приводов (ВНИИ электропривод) на экскаваторе ЭКГ-3,2 комбината «Фосфорит». В дальнейшем уровень развития силовой полупроводниковой техники возрос настолько, что по показателям надежности, живучести и долговечности система электропривода ТВ-Г-Д стала вполне сопоставимой с системой СМУ-Г-Д. Что касается регулировочных свойств, то с введением в электроприводы главных механизмов экскаваторов системы регулирования с последовательной коррекцией они приобретают существенно лучшие динамические свойства по сравнению с системой СМУ-Г-Д. В настоящее время системой ТВ-Г-Д оснащены последние модели экскаваторов ЭКГ-8И, ЭКГ-10, ЭКГ-12,5 и ЭКГ-15. Принципы проектирования и требования к полупроводниковым преобразовательным устройствам обусловлены спецификой и тяжелыми условиями эксплуатации экскаваторного привода, поэтому технические решения, обеспечивающие надежную и эффективную работу электроприводов, могут быть разными и определяются подходами и технологиями предприятия-поставщика комплектного электрооборудования. К наиболее отработанным и обеспечивающим основные технические требования следует отнести комплектные электроприводы производства ОАО «Электросила» [9]. В ПРИЛОЖЕНИИ 7 приведено краткое описание комплекта электрооборудования ЭПЭ-ЭКГ10 У2 для экскаватора ЭКГ-10. В [12] изложены требования к полупроводниковым преобразователям для привода экскаваторов и рекомендованы для использования преобразователи ПТЭМ-1Р и НКУ на их основе, освоенные специализированным предприятием АООТ «Рудоавтоматика», г. Железногорск. Американские фирмы "Харнишфегер", "Марион" и "Бюсайрус-Ири" применяют на мощных карьерных машинах тиристорные электроприводы постоянного тока по схеме ТП-Д.
В нашей стране впервые отказ от использования вращающихся преобразователей в силовых цепях экскаваторных электроприводов предпринят во ВНИИ Электропривод. Уралмашзавод изготовил мощный карьерный экскаватор ЭКГ-20, приводы основных механизмов которого выполнены по системе ТП-Д. Объединение «Уралэнергоцветмет» создало четыре модификации тири-сторных преобразователей, которые успешно прошли промышленные испытания (преобразователи типа КТП-Э).
Особенности построения возбудителей на IGBT-модулях в электроприводах экскаваторов
Недостатком таких систем является очень большое количество элементов - микросхем, транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и других элементов, и, как следствие, большое количество электронных ячеек, блоков и проводного монтажа.
Например, в НКУ Ш3801 регуляторы, и система диагностики строятся на основе аналоговой схемотехники. Для каждого из трех приводов имеется свой блок регулирования, в состав которого входят от 8 до 10 ячеек управления и диагностики. Между блоками и ячейками существуют перекрестные связи. Сигналы заданий вырабатываются сельсинными командоаппаратами, которые питаются от феррорезонансного стабилизатора напряжения.
Большое количество элементов, входящих в систему, ухудшает показатели эксплуатационной надежности (увеличивается вероятность отказов, увеличивается время поиска неисправности). Попытка уменьшения количества элементов за счет упрощения схем приводит к ухудшению качества работы приводов. На качество работы таких систем оказывают влияние внешние воздействия окружающей среды, такие как перепады температуры, давления, влажности, а также электромагнитная обстановка.
Кардинальным путем сокращения количества элементов системы управления без ухудшения эксплуатационных характеристик приводов является использование современных микросхем высокой степени интеграции и микропроцессоров.
За основу при разработке цифровых регуляторов были приняты регуляторы комплекта Ш3801 У2, разработанные институтом «Гипроуглеавтоматиза-ция» [54]. Эти регуляторы можно считать лучшими из применявшихся в серийных комплектах, ввиду их следующих преимуществ.
Механические характеристики имеют высокий коэффициент заполнения, обеспечивающий высокую производительность экскаватора. При наложенных тормозах характеристика смягчается, что обеспечивает размагничивание генераторов, не имеющих противокомпаундной обмотки (приводы напора и поворота). Рационально выбраны динамические характеристики: Контур регулирования напряжения генератора обеспечивает достаточно быстрый переходный процесс (1,5-1,7 с), который, в то же время, не приводит к излишним нагрузкам на механическую часть системы. Контур ограничения якорного тока обеспечивает при стопорениях быстрое размагничивание генератора без перерегулирования в сигнале тока. Нет необходимости настраивать динамику регуляторов при наладке (настраиваются только установившиеся значения напряжений холостого хода и стопорных токов). В эксплуатации эти регуляторы заслужили репутацию «безналадочных». Регуляторы имеют большие запасы устойчивости, что и делает возможной упомянутую выше безналадочность. Регуляторы работоспособны не только в рабочих режимах, но и при испытании приводов в режиме взаимной нагрузки, когда соединены якорные цепи генераторов. Перенастройки регуляторов при этом не требуется. Регуляторы возбуждения генераторов всех приводов имеют одинаковую «скелетную» часть, в том числе одинаковое корректирующее звено. Таким образом, унифицируются платы регуляторов при аналоговой реализации, и упрощается программное обеспечение при цифровой реализации. При переходе к цифровым регуляторам необходимо приять во внимание следующие аспекты: - квантование по уровню (с учетом необходимости дифференцирования сигналов обратных связей); - влияние на устойчивость и качество регулирования квантования по времени; - запаздывание, вносимое цифровым регулятором; - реализацию динамических звеньев регуляторов. Будем исходить из применения в цифровой системе регулирования десятиразрядного АЦП, обеспечивающего измерение сигналов обратной связи с разрешением 512 отсчетов (с учетом потери одного разряда на знак). Применим также высокопроизводительный 16-битовый микропроцессор, позволяющий, в случае необходимости выполнять вычисления с двойной точности. В этом случае квантование по уровню может иметь значение только для решения вопроса о дифференцировании сигналов обратных связей. Примем, что номинальным значениям сигналов обратных связей соответствуют в выходных сигналах АЦП 1ЯНом= ия_НОм - 400 отсчетов (оставляем запас 20%). Максимальные скорости изменения сигналов обратной связи при использовании взятого за основу регулятора составляют: 4 номинала в секунду - для якорного тока и один номинал в секунду - для якорного напряжения. Тогда при периоде дискретности Td = 2 мс (см. далее) наибольшее изменение выходных сигналов АЦП за период дискретности составит: для тока - всего лишь 3 -4 отсчета (400 4 0,002) и для напряжения - 1 отсчет. Если сигналы обратных связей изменяются медленнее, чем указано выше, то выходные сигналы АЦП за период дискретности регулятора могут вообще не изменяться. Очевидно, что, если использовать такие маленькие величины для численного дифференцирования, то не только нельзя обеспечить помехозащищенность системы, но и невозможно воспроизвести алгоритм регулирования. Поэтому в цифровой системе регулирования применяются аналоговые дифференциаторы, выходные сигналы которых вводятся в микропроцессор через АЦП в нормальном масштабе (примерно 400 отсчетов при максимальных значениях производных).
Принципы организации системы диагностики и локализации отказов
Срабатывание защиты приводит к отключению автомата QF2 (рис.3.12.), разбору приводов, сигнализации об отказе и выдаче на ПКИ соответствующего диагностического сообщения.
Работа приводов сопровождается периодической рекуперацией энергии из обмоток возбуждения. Если эта энергия не затрачивается полностью на питание других обмоток возбуждения, в частности, обмоток возбуждения двигателей, то при рекуперации повышается напряжение Ud. При наладке, когда возбудители двигателей не включены, повышение напряжения еще больше. Особенно резким подъем напряжения может быть в аварийных режимах (примерно ЮОВ/мс).
Недопустимое повышение напряжения Ud может быть причиной выхода из строя возбудителей и электрических машин. Поэтому целесообразно применение следующих защит от перенапряжения на шинах ЗПТ. 1) Рабочая защита. Данная защита работает при исправном оборудовании и поэтому ее работа не сопровождается выдачей диагностического сообщения и сигнализацией. Осуществляется рабочая защита обычным способом: если напряжение Ud превышает пороговое значение, ключ рекуперации подключает к шинам звена постоянного тока балластный резистор и, если \Jd меньше порогового значения - отключает резистор. Рассматриваемый ключ управляется релейным регулятором, реализуемым программно в БМСУ. Период дискретности регулятора 2 мс (равен периоду дискретности регуляторов возбуждения). Порог переключения ключа должен превышать напряжение на шинах звена постоянного тока, соответствующее верхнему пределу допустимого питающего напряжения (6,6 KB +20%). 2) Аварийная защита от перенапряжения, осуществляемая БМСУ. Эта защита срабатывает при неисправности тракта «периферийная плата вывода логических сигналов БМСУ — драйвер - ключ управления током через балластный резистор». Порог срабатывания данной защиты выбирается выше порога защиты по п. 1), на величину, исключающую ложные срабатывания при исправной рабочей защите. Срабатывание защиты приводит к отключению автомата QF2, разбору приводов, сигнализации об отказе и выдаче соответствующего диагностического сообщения. Данная защита не требует введения в НКУ какого-либо дополнительного оборудования. 3) Автономная аварийная защита от перенапряжения, осуществляемая панелью аварийной защиты ПАЗ (рис. 3.12.). Данная защита не зависит от исправности датчика напряжения и микропроцессорной системы управления, включая ее питание. Порог срабатывания автономной защиты может совпадать с порогом по п. 1) или быть выше его с учетом разброса параметров варистора панели ПАЗ. Срабатывание защиты приводит к отключению автомата QF2 и разбору приводов. Контроль частоты сети 380В впервые был введен институтом «Гипроуг-леавтоматизация» в комплект Ш3801 [54]. До этого он отсутствовал, и его применение на экскаваторе известно не всем специалистам. Поэтому остановимся на контроле частоты подробнее. Если отключилась питающая экскаватор сеть, то напряжение на борту поддерживается за счет работы синхронного приводного двигателя в генераторном режиме. При этом к ротору синхронной машины может прикладываться как замедляющий момент, так и ускоряющий (при рекуперации энергии главными приводами). В первом случае частота вращения агрегата уменьшается, во втором — увеличивается, то есть происходит так называемый угон агрегата. При снижении частоты приводы должны быть разобраны до того, как регуляторы потеряют работоспособность. Поэтому при частоте ниже 37 Гц выполняется аварийный разбор приводов. Угон агрегата может быть причиной повреждения составляющих агрегат машин (в первую очередь, разрушается бандаж). Другим следствием угона является повышение напряжения в бортовой сети, которое, в свою очередь, может привести к выходу из строя оборудования экскаватора. В соответствии с характеристиками применяемого оборудования допустимая при угоне частота вращения агрегата принята равной 60 Гц. При большей частоте выполняется аварийный разбор приводов. Небольшое (до 44 Гц) снижение частоты необязательно является признаком отключения питания экскаватора. При питании экскаватора от источника энергии ограниченной мощности, например, дизель-генератора, частота может снизиться при перегрузке. В этом случае нет необходимости прибегать к аварийному разбору приводов - достаточна сигнализация машинисту. Машинист может либо разобрать приводы в ручном режиме, либо достаточным оказывается снижение интенсивности копания. В соответствии с вышеизложенным введен контроль частоты по порогам 60 Гц, 37 Гц и 44 Гц. Причем, в отличие от прототипа, это не потребовало введения в комплект специальной платы. Все три вида отказа ассоциированы со своими диагностическими сообщениями. Ограничимся рассмотрением отказов, защита от которых обеспечивается при помощи микропроцессорной системы. Главные приводы должны по-разному реагировать на срабатывания различных защит. Будем классифицировать отказы по признаку реакции системы управления на срабатывание соответствующих защит. Результаты этой классификации используются при построении алгоритмов защиты. Введем следующие классы отказов. Класс «Р» - отказы вычислительного ядра платы главного контроллера микропроцессорной системы (в реализованном варианте вычислительное ядро составляют микропроцессор, микросхемы энергонезависимой долговременной памяти и оперативной памяти).
