Расчет и компьютерное моделирование электропривода поворотного механизма одноковшового экскаватора ЭКГ-5

В мире, где потребность в сырьевых ресурсах неуклонно растет, горнодобывающая промышленность сталкивается с необходимостью повышения производительности, надежности и энергоэффективности своего оборудования. Одним из ключевых звеньев в этом процессе выступают карьерные одноковшовые экскаваторы, в частности, такие «рабочие лошадки» как ЭКГ-5, чья долговечность и способность работать в экстремальных условиях определяются не только механической прочностью, но и совершенством их электроприводных систем. Именно электропривод, ответственный за приведение в движение всех исполнительных органов, является сердцем любой крупногабаритной горной машины.

На протяжении десятилетий инженеры и ученые стремятся к оптимизации этих систем, ведь каждый процент повышения эффективности или надежности означает миллиарды рублей сэкономленных средств и тонны добытого сырья, что прямо влияет на конкурентоспособность предприятия. В этом контексте, понимание, расчет и моделирование динамических процессов в электроприводах экскаваторов приобретает особую актуальность.

Цель настоящей курсовой работы — провести глубокий и всесторонний анализ электропривода поворотного механизма одноковшового экскаватора ЭКГ-5. В рамках этой цели будут поставлены и решены следующие задачи:

• Раскрыть базовые понятия электропривода и специфику условий работы экскаваторов.
• Подробно изучить устройство и принцип действия поворотного механизма экскаватора ЭКГ-5, а также особенности его опорно-поворотного устройства.
• Изложить методики расчета мощности электродвигателя и моментов инерции всех вращающихся частей кинематической цепи поворотного механизма.
• Проанализировать различные схемы управления электроприводами постоянного тока (Г-Д с ТВ, Г-Д с ТрВ, ТП-Д), выявив их преимущества и недостатки.
• Исследовать динамические процессы в электроприводе, разработать математическую модель и продемонстрировать возможности компьютерного моделирования.
• Обосновать принципы настройки контуров регулирования тока и напряжения.
• Провести сравнительный анализ технических решений и оценить перспективы внедрения современных технологий в экскаваторостроении.

Выполнение этих задач позволит не только получить глубокие теоретические знания, но и приобрести практические навыки, необходимые для проектирования и эксплуатации современных электроприводов горного оборудования, обеспечивая их максимальную производительность и долговечность в сложных условиях эксплуатации.

Основные понятия и общие сведения об электроприводах и экскаваторах

В основе любой производственной машины, требующей управляемого движения, лежит электропривод. Это не просто двигатель, а сложная, интегрированная система, чья задача — преобразовывать электрическую энергию в механическую работу, обеспечивая точное и эффективное управление движением. Однако, когда речь заходит о таких гигантах, как карьерные экскаваторы, к этой системе предъявляются уникальные и чрезвычайно жесткие требования, обусловленные суровыми условиями их эксплуатации.

Определение электропривода и его структурные элементы

Электропривод (ЭП) можно представить как высокоорганизованный оркестр, где каждый инструмент играет свою роль для достижения единой цели – управляемого движения рабочего органа. В своей сущности, электропривод – это электромеханическая система, состоящая из преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, а также управляющих и информационных устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и точного управления этим движением. Он осуществляет фундаментальную трансформацию: электрическая энергия, поступающая из сети, преобразуется в механическую, которая затем передается к исполнительному механизму, обеспечивая необходимый технологический процесс.

Структурно электропривод обычно включает в себя следующие ключевые элементы:

• Электродвигатель: Сердце электропривода, где происходит первичное преобразование электрической энергии в механическую. От его типа (постоянного или переменного тока), мощности и конструктивных особенностей зависят основные динамические и энергетические характеристики всей системы.
• Преобразовательное устройство: Мозг, управляющий потоками энергии. Это устройство регулирует электрическую энергию, подаваемую на двигатель, изменяя ее параметры (напряжение, ток, частоту) в соответствии с заданными режимами работы. Примерами могут служить тиристорные преобразователи, транзисторные инверторы, генераторы постоянного тока. Оно является энергетической частью системы управления.
• Передаточное устройство: Скелет, передающий механическую энергию. Оно включает в себя механические передачи (зубчатые, винтовые, ременные) и соединительные муфты, которые обеспечивают согласование скоростей и моментов между двигателем и исполнительным механизмом.
• Система управления: Нервная система, координирующая работу всех элементов. Она состоит из управляющих и информационных устройств, обеспечивающих сбор данных о состоянии привода, их обработку и выработку управляющих воздействий для преобразовательного устройства.

Неотъемлемой частью любого механизма является кинематическая цепь. Это сочетание звеньев, соединенных между собой кинематическими парами, образующее систему передач (например, зубчатых, винтовых, реечных, ременных), которая передает движение от начального звена (двигателя) к конечному (рабочему органу). Кинематические цепи могут быть простыми (где звенья входят не более чем в две кинематические пары) или сложными (с одним или несколькими звеньями, входящими более чем в две пары), а также замкнутыми или незамкнутыми, плоскими или пространственными. В контексте экскаватора, кинематическая цепь механизма поворота включает в себя двигатель, редуктор, шестерни, зубчатый венец и непосредственно поворотную платформу. Механизм, в свою очередь, это кинематическая цепь, одно из звеньев которой является стойкой (неподвижным элементом), а движение одного или нескольких звеньев полностью определяет движения остальных.

Одноковшовые экскаваторы: конструкция и условия работы

Одноковшовые экскаваторы, такие как легендарный ЭКГ-5, являются фундаментальным инструментом в горнодобывающей промышленности и крупном строительстве. ЭКГ-5 – это электрическая карьерная гидравлическая лопата с вместимостью ковша 5 м³, предназначенная для выемки горной массы, погрузки ее в транспортные средства или укладки в отвал. Его конструкция оптимальна для выполнения тяжелых земляных работ, а электрический привод обеспечивает высокую мощность и относительно низкие эксплуатационные расходы по сравнению с дизельными аналогами в условиях постоянного подключения к сети.

Однако, высокая производительность достигается в условиях, которые можно назвать экстремальными. Эксплуатация экскаваторов связана с преодолением целого ряда неблагоприятных факторов:

• Резкопеременные нагрузки: Цикличный характер работы (копание, поворот, разгрузка, обратный поворот) приводит к постоянным и резким изменениям нагрузки на все механизмы, особенно на электроприводы. Это вызывает частые пуски, торможения, реверсы, что предъявляет повышенные требования к перегрузочной способности двигателей и прочности механических узлов.
• Тряска и вибрации: Процесс копания и перемещения тяжелых грузов сопровождается значительными ударными нагрузками и вибрациями, которые воздействуют на все элементы конструкции, включая электрооборудование.
• Изменения температуры: Экскаваторы работают в широком диапазоне температур. Для климатического исполнения У1 (умеренный климат) это от минус 40 °С до плюс 40 °С. Для исполнения ХЛ (холодный климат) по ГОСТ 15150-69 диапазон еще шире – от минус 60 °С до плюс 40 °С. Работа при низких температурах требует использования специальных арктических моторных масел и систем подогрева.
• Высокая влажность и запыленность: Карьеры, как правило, характеризуются повышенной запыленностью, а также воздействием осадков. Для защиты внутренних узлов, особенно электрооборудования, кузов машины оснащается вентиляционными модулями, которые очищают воздух и создают избыточное давление внутри, предотвращая попадание пыли.
• Коррозионно-активная среда: В некоторых регионах или типах карьеров воздух может содержать агрессивные химические соединения, способствующие коррозии.

Эти условия диктуют строжайшие требования к электромеханическому оборудованию экскаваторов:

• Высокая вибростойкость: Все элементы должны выдерживать постоянные вибрации и удары без разрушения и потери работоспособности.
• Допустимое число включений: Электрические машины и аппаратура управления должны быть рассчитаны на большое количество циклов включения/выключения и реверсирования без снижения ресурса.
• Безотказность и долговечность: Длительный гарантийный срок и высокий показатель безотказной работы являются критически важными для сокращения простоев и повышения производительности.
• Перегрузочная способность: Электроприводы должны обладать достаточным запасом по моменту и току, чтобы справляться с пиковыми нагрузками при копании и повороте.
• Ограничение момента и тока: Система управления должна обеспечивать надежное ограничение момента и тока в допустимых пределах, предотвращая повреждение двигателя и механических передач, особенно в режиме стопорения. Механическая характеристика электропривода должна иметь так называемую «экскаваторную форму».

Понимание этих особенностей является отправной точкой для разработки и расчета оптимальных систем электропривода для экскаваторов, таких как ЭКГ-5, обеспечивая их эффективную и безопасную работу в самых суровых условиях.

Устройство и принцип действия поворотного механизма экскаватора ЭКГ-5

Поворотный механизм – это одна из ключевых систем любого полноповоротного экскаватора, позволяющая ему маневрировать рабочим оборудованием в пространстве, перемещая грунт из забоя к месту разгрузки. Для экскаватора ЭКГ-5, как и для большинства карьерных машин, этот механизм должен не только обеспечивать плавное и точное вращение массивной поворотной платформы, но и выдерживать колоссальные нагрузки, включая ударные, и передавать на опорную раму значительные осевые, радиальные и опрокидывающие моменты.

Функции и состав поворотного механизма

Основное назначение поворотного механизма экскаватора – обеспечить вращение поворотной платформы относительно опорной рамы ходовой части. Эта платформа несет на себе все рабочее оборудование (стрелу, рукоять, ковш), силовой агрегат (электродвигатели, генераторы) и кабину машиниста. Без возможности поворота экскаватор теряет свою функциональность как землеройная машина циклического действия.

Помимо обеспечения вращения, поворотный механизм, часто называемый опорно-поворотным устройством (ОПУ), выполняет ряд критически важных функций:

• Передача нагрузок: ОПУ соединяет поворотную платформу с рамой ходовой части и воспринимает все нагрузки, возникающие при работе экскаватора: осевые (вертикальные), радиальные (горизонтальные) и, что особенно важно, опрокидывающие моменты, передавая их на раму ходовой части.
• Снижение сопротивления вращению: Конструкция ОПУ должна минимизировать трение, обеспечивая легкое и плавное вращение платформы даже под большой нагрузкой.
• Фиксация положения: Механизм должен иметь возможность надежно фиксировать платформу в заданном положении, предотвращая случайный поворот, особенно при копании или перемещении груза.

Типичный поворотный механизм экскаватора ЭКГ-5 представляет собой сложную совокупность взаимосвязанных узлов:

1. Поворотный двигатель: Является источником механической энергии. Для ЭКГ-5 это, как правило, двигатель постоянного тока, который приводит в движение редуктор.
2. Поворотный редуктор: Многоступенчатый редуктор, закрепленный на поворотной платформе. Его основная функция – снижение частоты вращения от двигателя и соответствующее увеличение крутящего момента, необходимого для поворота массивной платформы. Выходной вал редуктора соединен с приводной шестерней.
3. Приводная шестерня: Эта шестерня входит в зацепление с зубчатым венцом опорно-поворотного устройства.
4. Зубчатый венец: Ключевой элемент передачи вращения. Он представляет собой большое зубчатое колесо, которое либо является частью опорно-поворотного подшипника (как правило, с внутренним или наружным зацеплением), либо жестко закреплено на раме ходовой части.
5. Опорно-поворотный подшипник (ОПУ): Это центральный элемент всего механизма, обеспечивающий вращение. Он состоит из двух высокопрочных металлических колец (одно монтируется на раме, второе – на поворотной платформе) и элементов качения (шариков или роликов), расположенных между кольцами. Также включает уплотнительные кольца для защиты от пыли и грязи, и болтовые соединения для крепления к рамам.
6. Поворотный тормоз: Необходим для фиксации платформы и управляемого замедления. Часто это нормально закрытый, пружинный, многодисковый, «мокрый» (работающий в масляной ванне) тормоз, управляемый гидросистемой. Он включается при остановке вращения платформы, предотвращая ее случайный поворот. От случайного поворота платформу экскаватора также предохраняет гидравлический тормоз, если привод гидравлический.

Принцип действия поворотного механизма заключается в следующем: электродвигатель через редуктор приводит во вращение приводную шестерню. Эта шестерня, входя в зацепление с зубчатым венцом ОПУ, передает крутящий момент на поворотную платформу, заставляя ее вращаться вокруг вертикальной оси. Реверсирование направления вращения платформы осуществляется изменением направления вращения двигателя. Регулирование скорости вращения достигается изменением частоты вращения двигателя, что в электрических приводах реализуется изменением напряжения, тока или частоты питания.

Типы опорно-поворотных устройств (ОПУ) и их особенности

Опорно-поворотные устройства являются критически важным узлом, от которого зависит долговечность и точность работы поворотного механизма. Их конструкция напрямую влияет на способность воспринимать различные типы нагрузок и на общий срок службы экскаватора. Исторически и конструктивно ОПУ делятся на несколько основных типов:

1. Катковые ОПУ:
   • Конструкция: Состоят из каткового круга, кольцевых рельсов (погонов) и центральной цапфы, которая служит осью вращения и воспринимает основные осевые нагрузки. Катковые элементы (катки) перекатываются по рельсам.
   • Применение: Чаще всего применялись на отечественных роторных экскаваторах.
   • Особенности: Считаются морально устаревшими. Их основной недостаток – большой зазор между погоном и телом вращения, что приводит к значительному раскачиванию платформы, особенно при ударных нагрузках. Это снижает точность позиционирования и ускоряет износ.
2. Шариковые ОПУ:
   • Конструкция: Представляют собой одно- или двухрядные шариковые подшипники большого диаметра. Между двумя кольцами (внутренним и наружным) расположены шарики, которые движутся по специальным дорожкам качения. Часто имеют внутреннее или наружное зубчатое зацепление.
   • Применение: Получили наиболее широкое распространение на карьерно-строительных экскаваторах, включая ЭКГ-5.
   • Особенности: Более надежны, чем катковые. Способны воспринимать как осевые, так и радиальные нагрузки, а также опрокидывающие моменты. Обеспечивают хорошую смазку дорожек качения, что способствует увеличению срока службы. Их конструкция позволяет уменьшить общую высоту поворотного устройства.
3. Роликовые ОПУ:
   • Конструкция: Вместо шариков используются небольшие цилиндрические ролики, которые могут быть расположены перпендикулярно друг к другу (крестообразно) или параллельно. Как и шариковые, они имеют два кольца и дорожки качения.
   • Применение: Используются там, где требуются особенно высокие грузоподъемность и способность справляться с большими нагрузками.
   • Особенности: Обладают более высокой грузоподъемностью по сравнению с шариковыми при относительно небольшой массе. Их конструкция может быть проще, чем у некоторых типов шариковых ОПУ, особенно в части восприятия комбинированных нагрузок.

Важной особенностью работы всех типов ОПУ в экскаваторах являются ударные нагрузки. При копании, ударах ковша о породу, резких торможениях или изменении направления движения, на ОПУ приходятся пиковые динамические воздействия. Это требует использования высокопрочных материалов для колец и элементов качения, а также тщательного расчета и проектирования для обеспечения долговечности.

Помимо классификации по элементам качения, ОПУ также могут быть классифицированы по способу зацепления:

• С наружным зацеплением: Зубчатый венец расположен по внешнему диаметру одного из колец.
• С внутренним зацеплением: Зубчатый венец расположен по внутреннему диаметру одного из колец.
• Без зацепления: Используются в условиях ограниченного пространства или для механизмов с ручным управлением (что нехарактерно для ЭКГ-5).

Для экскаватора ЭКГ-5, учитывая его карьерное назначение и требования к надежности при работе с тяжелыми нагрузками, наиболее целесообразными и распространенными являются шариковые или роликовые ОПУ с внутренним зацеплением. Внутреннее зацепление обеспечивает лучшую защиту зубьев от механических повреждений и загрязнений, что важно в условиях карьера.

Тормоз поворота, как правило, является неотъемлемой частью поворотного механизма. Его включение при остановке вращения платформы обеспечивает безопасность работы, предотвращая неконтролируемое движение и снижая риск аварий.

Методики расчета мощности двигателя и моментов инерции поворотного механизма ЭКГ-5

Точное определение моментов инерции и расчет требуемой мощности электродвигателя являются краеугольными камнями в проектировании электропривода поворотного механизма экскаватора ЭКГ-5. Ошибки на этом этапе могут привести к выбору неоптимального двигателя, нестабильной работе, повышенному износу или даже авариям. Этот раздел посвящен детализации методик, позволяющих с высокой точностью подойти к решению этих задач.

Определение моментов инерции элементов кинематической цепи

Прежде чем углубиться в расчеты, необходимо четко определить, что такое момент инерции. Момент инерции (J) – это тензорная физическая величина, которая является мерой инертности тела при его вращательном движении. Он аналогичен массе тела в поступательном движении и показывает, насколько трудно изменить угловую скорость вращения тела. Чем больше момент инерции, тем сложнее разогнать или остановить вращающийся объект.

Осевой момент инерции тела относительно оси z (I_z) определяется как сумма произведений масс m_i всех точек тела на квадраты их расстояний h_i от этой оси:

Iz = Σ mi hi2

Для непрерывного распределения массы это выражение преобразуется в интеграл:

Iz = ∫ ρ(r) r2 dV

где ρ(r) – плотность вещества, а r – расстояние от элемента объема dV до оси вращения.

Для практических расчетов элементов экскаватора, имеющих сложную форму, часто используют теорему Гюйгенса-Штейнера (или теорему о параллельных осях). Эта теорема позволяет связать момент инерции тела относительно произвольной оси I_z с моментом инерции относительно параллельной оси, проходящей через центр масс I_z’:

Iz = Iz' + M d2

где M – полная масса тела, а d – расстояние между осями. Эта теорема незаменима, когда центр масс элемента не совпадает с осью вращения.

Моменты инерции вращающихся частей экскаватора включают:

• Момент инерции поворотной платформы.
• Момент инерции ковша (с породой или без).
• Момент инерции стрелы.
• Момент инерции напорного механизма.
• Момент инерции рукоятки.

Все эти моменты приводятся к одной общей оси вращения – вертикальной оси поворота платформы.

Алгоритм расчета суммарного момента инерции (J_Σ) для ЭКГ-5:

1. Момент инерции поворотной платформы (J_{платформы}):
   Платформа экскаватора имеет сложную форму, поэтому для ее расчета часто используют теорему Гюйгенса-Штейнера. Если известен момент инерции платформы относительно оси, проходящей через ее центр масс (J_{платформы.ц.м}), то:
   Jплатформы = Jплатформы.ц.м + mплатформы ∙ (L1)2
   где m_{платформы} – масса поворотной платформы, а L₁ – расстояние между осью вращения платформы и осью, проходящей через ее центр масс.
   Пример: Для экскаватора ЭШ-100.100 момент инерции платформы может составлять порядка 4,74 · 10⁵ кг·м². Для ЭКГ-5 это значение будет ниже, но рассчитывается аналогично.
2. Момент инерции ковша (J_ковша):
   Рассчитывается отдельно для порожнего ковша и для ковша с породой.
   Jковша = mковша ∙ (Rковша)2
Jковша.с.породой = (mковша + mпороды) ∙ (Rковша)2
   где m_ковша – масса ковша, m_породы – масса породы в ковше, R_ковша – радиус разгрузки (расстояние от оси вращения платформы до центра масс ковша). Масса породы определяется как произведение объема ковша на плотность породы.
3. Моменты инерции стрелы (J_стрелы), напорного механизма (J_напора) и рукоятки (J_{рукоятки}):
   Эти элементы также имеют сложную форму. Их моменты инерции могут быть рассчитаны как для стержней, тел вращения или с использованием теоремы Гюйгенса-Штейнера.
   Для каждого элемента: Ji = mi ∙ (Ri)2
   где m_i – масса i-го элемента, R_i – расстояние от оси вращения платформы до центра масс i-го элемента.
   В более точных расчетах используются формулы для моментов инерции относительно собственного центра масс, а затем применяется теорема Гюйгенса-Штейнера.
4. Суммарный момент инерции:
   JΣ = Jплатформы + Jковша + Jстрелы + Jнапора + Jрукоятки + Jдвигателя + Jредуктора
   Здесь J_{двигателя} и J_{редуктора} – моменты инерции ротора двигателя и приведенные моменты инерции элементов редуктора, приведенные к оси поворота платформы с учетом передаточных чисел.
   Приведенный момент инерции (J_пр), который используется в динамических уравнениях, рассчитывается исходя из закона сохранения кинетической энергии. Если система имеет несколько вращающихся масс с разными угловыми скоростями, приведенный момент инерции всех частей к валу двигателя (или к валу рабочего органа) определяется так, чтобы суммарная кинетическая энергия системы оставалась неизменной:
   Jпр = Jдвигателя + Σi Ji / (ui)2
   где J_i – момент инерции i-го механизма, u_i – передаточное число от вала двигателя до i-го механизма.

Знание этих моментов инерции критически важно для прогнозирования динамического поведения механизмов, моделирования и анализа переходных характеристик электропривода, особенно учитывая, что поворотные механизмы экскаваторов работают с преодолением больших инерционных нагрузок.

Расчет требуемой мощности электродвигателя поворотного механизма

Выбор мощности электродвигателя для поворотного механизма экскаватора ЭКГ-5 – это сложная задача, требующая учета специфики его работы и динамических характеристик. Недостаточная мощность приведет к медленной работе и перегреву, избыточная – к лишнему весу, габаритам и стоимости.

Зависимость мощности электродвигателя механизма поворота определяется следующими факторами:

• Угловое ускорение (ε): Чем быстрее требуется разогнать или затормозить платформу, тем большее ускорение нужно создать, а значит, и больший момент, требующий большей мощности.
• Частота вращения платформы (ω): Максимальная угловая скорость поворота также влияет на требуемую мощность.
• Угол поворота платформы (α): Хотя сам по себе угол не определяет мощность напрямую, он влияет на длительность каждого цикла поворота и, соответственно, на средневзвешенную мощность.
• Момент инерции вращающихся частей экскаватора (J_Σ): Это ключевой фактор. Чем больше суммарный момент инерции, тем больше энергии требуется для изменения угловой скорости.

Методика определения средневзвешенной мощности учитывает цикличный характер работы экскаватора, который можно разделить на несколько основных периодов:

1. Период копания: Двигатель поворота в этот момент может находиться в состоянии покоя или обеспечивать точное позиционирование.
2. Период поворота платформы с груженым ковшом: Это самый энергоемкий этап, требующий разгона платформы, перемещения груза и последующего торможения.
3. Период разгрузки ковша: Двигатель поворота может быть в состоянии покоя.
4. Период поворота платформы с порожним ковшом в забой: Требует разгона и торможения, но с меньшими инерционными моментами, поскольку масса ковша без породы меньше.

Для расчета мощности двигателя используется метод эквивалентных нагрузок. Среднеквадратичная мощность (P_ср.кв), которая служит основой для выбора двигателя, определяется по формуле:

Pср.кв = √[ (Σ Pi2 ∙ ti) / (Σ ti) ]

где P_i – мощность, потребляемая двигателем на i-м участке цикла, t_i – длительность i-го участка. Мощность на каждом участке определяется с учетом как статических нагрузок (момент сопротивления трения в ОПУ, момент от ветра), так и динамических (момент инерции).

Требования к электроприводу экскаваторов:

• Максимальная производительность при минимальных нагрузках: Электропривод должен обеспечивать быстрые и плавные переходные процессы (разгон, торможение, реверс), чтобы сократить время цикла работы экскаватора, но при этом минимизировать пиковые токи и моменты, которые могут привести к перегрузкам и повреждениям.
• Экскаваторная форма механической характеристики: Механическая характеристика двигателя (зависимость частоты вращения от момента) должна быть жесткой на рабочих участках и иметь «мягкий» (падающий) участок при приближении к стопорному моменту. Это позволяет двигателю развивать большой момент при низких скоростях (например, при начале поворота с большой нагрузкой) и при этом надежно ограничивать ток и момент в случае стопорения.
• Надежное ограничение момента и тока: Электропривод должен обеспечивать надежное ограничение момента и тока до допустимых стопорных значений (обычно (1.7-2)M_ном) во всех режимах работы, включая аварийные (например, заклинивание платформы). Это достигается за счет соответствующей настройки систем управления и защит.
• Быстродействие и точность: Для эффективной работы поворотного механизма необходимы высокая точность позиционирования платформы и быстрое реагирование на команды машиниста.

Примерный расчет момента для механизма поворота включает несколько компонентов:

• Момент инерции: Mинерц = JΣ ∙ ε
• Момент сопротивления в ОПУ: MОПУ (зависит от конструкции ОПУ и нагрузок)
• Момент сопротивления ветра: Mветра
• Момент сопротивления от уклона (если экскаватор стоит на наклонной поверхности).

Суммарный момент, необходимый для поворота, будет равен:

Mповорота = Mинерц + MОПУ + Mветра

Мощность двигателя затем определяется как P = M ∙ ω.

Эти расчеты служат основой для выбора конкретной модели электродвигателя и дальнейшего проектирования системы управления, гарантируя, что электропривод будет отвечать всем эксплуатационным требованиям.

Схемы управления электроприводами поворотного механизма ЭКГ-5: Г-Д и ТП-Д

Выбор архитектуры электропривода является одним из наиболее ответственных этапов проектирования, особенно для механизмов циклического действия, таких как поворотный механизм экскаватора ЭКГ-5. Исторически и по сей день доминирующими решениями для приводов постоянного тока в тяжелых карьерных машинах остаются системы Генератор-Двигатель (Г-Д) и Тиристорный Преобразователь-Двигатель (ТП-Д). Каждая из них имеет свои уникальные особенности, которые определяют ее применимость и эффективность в конкретных условиях.

Система Генератор-Двигатель (Г-Д)

Система Генератор-Двигатель (Г-Д), часто называемая «электромашинным регулированием», является классическим решением для регулируемых электроприводов, где требуется широкий диапазон регулирования скорости и высокая перегрузочная способность.

Принцип действия и структура:
В основе системы Г-Д лежит каскадное соединение электрических машин:

1. Асинхронный двигатель (АД): Питается непосредственно от сети переменного тока и работает практически с постоянной скоростью. Его задача – механически вращать генератор постоянного тока.
2. Генератор постоянного тока (Г): Имеет независимое возбуждение. Механически соединен с АД. Напряжение на его якоре регулируется изменением тока в обмотке возбуждения генератора.
3. Двигатель постоянного тока (Д): Исполнительный двигатель, якорь которого питается непосредственно от якоря генератора постоянного тока. Его обмотка возбуждения может питаться от отдельного источника или также регулироваться.

Таким образом, АД преобразует энергию переменного тока в механическую, генератор Г преобразует ее обратно в электрическую (постоянного тока), но уже с регулируемым напряжением, которое подается на двигатель Д.

Механические характеристики:
Одной из ключевых особенностей системы Г-Д является ее способность формировать семейство жестких механических характеристик. Эти характеристики представляют собой практически параллельные прямые, расположенные одна под другой при разных значениях напряжения, подводимого к якорю двигателя Д. Жесткость характеристики (степень изменения скорости при изменении момента нагрузки) остается практически постоянной во всем диапазоне регулирования. Это свойство крайне важно для экскаваторных приводов, так как оно обеспечивает стабильность скорости при изменяющихся нагрузках.

Регулирование скорости и реверсирование:

• Регулирование скорости: Основной способ регулирования скорости двигателя Д – изменение величины и полярности напряжения, подводимого к его якорю. Это достигается изменением тока в обмотке возбуждения генератора Г. Диапазон регулирования скорости вращения двигателя при этом может составлять 7-15. Для дальнейшего расширения диапазона (до 14-30) может применяться ослабление магнитного потока самого двигателя Д. Применение замкнутых систем управления с обратными связями позволяет существенно увеличить диапазон регулирования – до 200:1.
• Реверсирование: Осуществляется изменением направления тока в обмотке возбуждения генератора Г. Это приводит к изменению полярности ЭДС генератора и, как следствие, изменению направления вращения двигателя Д.

Варианты возбуждения генератора:
В качестве возбудителя обмотки возбуждения генератора могут применяться различные устройства:

• Силовой магнитный усилитель (СМУ): Исторически распространенное решение, обеспечивающее достаточно плавное регулирование.
• Тиристорный преобразователь (ТП): Современное и более гибкое решение, получившее название Г-Д с тиристорным возбуждением (ТВ). В этой схеме ТП служит для питания обмотки возбуждения генератора. Применение ТВ позволяет значительно улучшить динамические свойства системы, повысить быстродействие и точность регулирования за счет высокой скорости изменения тока возбуждения. Системы Г-Д с ТВ особенно целесообразны для мощных экскаваторов с ковшами емкостью 8 м³ и более (мощность электродвигателей от 500 до нескольких тысяч кВт), например, на ЭКГ-12,5 и ЭШ-15/90 А.
• Транзисторный преобразователь (ТрВ): Более современный вариант, чем ТВ, использующий транзисторы вместо тиристоров. Г-Д с транзисторным возбуждением (ТрВ) обеспечивает еще более высокое быстродействие, точность и плавность регулирования, а также лучшие показатели электромагнитной совместимости. Для ЭКГ-5, где требуется высокая динамика и точность позиционирования, ТрВ может быть предпочтительнее, хотя и более дорог.

Сравнение Г-Д с ТВ и Г-Д с ТрВ для ЭКГ-5:

Критерий	Г-Д с Тиристорным Возбуждением (ТВ)	Г-Д с Транзисторным Возбуждением (ТрВ)
Быстродействие	Хорошее, но ограничено временем нарастания тока через индуктивность обмотки возбуждения генератора.	Отличное, значительно выше благодаря высокой частоте коммутации транзисторов.
Точность регулирования	Высокая.	Очень высокая, лучшее поддержание заданных параметров.
Надежность	Высокая, но тиристоры чувствительны к перенапряжениям и перегрузкам.	Высокая, более устойчивы к кратковременным перегрузкам.
Энергоэффективность	Хорошая, но с потерями в тиристорах и генераторе.	Выше за счет меньших потерь в транзисторах.
Электромагнитная совместимость	Может создавать значительные помехи в питающей сети.	Лучше, меньше гармонических искажений и помех.
Стоимость	Относительно ниже.	Выше.
Применимость для ЭКГ-5	Применяется и эффективен, особенно для приводов с большой инерцией.	Технически превосходит, но экономически может быть избыточен для устаревших машин, если не предусмотрена модернизация.

Система Тиристорный Пр��образователь-Двигатель (ТП-Д)

Система Тиристорный Преобразователь-Двигатель (ТП-Д) представляет собой более современный подход к регулированию электропривода постоянного тока, исключающий промежуточное электромашинное звено (генератор).

Принцип действия и структура:
В системе ТП-Д электрическая энергия сети переменного тока преобразуется непосредственно в регулируемую энергию постоянного тока, которая питает якорь исполнительного электродвигателя постоянного тока. Главным элементом здесь является тиристорный преобразователь, который выполняет функции выпрямления переменного тока и регулирования его напряжения.

Ключевые отличия ТП-Д от Г-Д:
Основное отличие заключается в прямом подключении тиристорного преобразователя к цепи якоря исполнительного двигателя в системе ТП-Д, в то время как в Г-Д он нагружен на обмотку возбуждения генератора. Это приводит к ряду существенных преимуществ:

• Компактность и масса: Отсутствие генератора постоянного тока значительно уменьшает габариты и массу электропривода.
• Энергоэффективность: Уменьшение числа преобразований энергии и исключение потерь в генераторе приводит к повышению общего КПД системы.
• Быстродействие: Тиристорные преобразователи обладают значительно более высоким быстродействием по сравнению с электромашинными генераторами, что улучшает динамические характеристики привода.
• Надежность и простота обслуживания: Отсутствие коллекторно-щеточного узла у генератора (если он заменен ТП) снижает необходимость в обслуживании и повышает общую надежность.

Области применения и применимость для ЭКГ-5:
Для одноковшовых экскаваторов с ковшами емкостью до 5 м³ (мощность до 250 кВт), к которым относится ЭКГ-5, применение привода по системе ТП-Д считается весьма целесообразным. Разработаны тиристорные приводы главных механизмов для экскаваторов ЭКГ-3,2 и ЭКГ-5, а опытные образцы ЭКГ-4,6, где приводы основных механизмов выполнены по системе ТП-Д, подтвердили перспективность такого решения. Переход на ТП-Д для ЭКГ-5 предполагает комплексную замену электрооборудования, но обеспечивает улучшенную динамику и энергоэффективность.

Преимущества и недостатки ТП-Д для экскаваторных приводов:

Критерий	Преимущества ТП-Д	Недостатки ТП-Д
Компактность	Меньшие габариты и масса за счет отсутствия генератора.	—
Энергоэффективность	Более высокий КПД, меньшие потери энергии.	—
Быстродействие	Высокое, обеспечивает быструю реакцию на управляющие воздействия.	—
Надежность	Высокая, меньше движущихся частей.	Тиристоры чувствительны к помехам и перенапряжениям в сети.
Регулирование	Широкий диапазон и высокая точность.	—
Электромагнитная совместимость	Может создавать гармонические искажения в питающей сети (требует фильтров).	—
Применение	Эффективен для экскаваторов средней мощности, включая ЭКГ-5.	—

Важно отметить, что, хотя механические характеристики асинхронных двигателей (АД) сами по себе не очень подходят для привода экскаватора из-за громоздкости и малой надежности аппаратуры управления в прошлом, современные системы преобразователь частоты-асинхронный двигатель (ПЧ-АД) демонстрируют значительные улучшения и активно вытесняют приводы постоянного тока в тяжелых экскаваторах, о чем будет сказано в разделе перспектив. Тем не менее, для модернизации существующего парка ЭКГ-5 и понимания традиционных решений, системы Г-Д и ТП-Д остаются крайне актуальными для изучения.

Динамические процессы и математическое моделирование электропривода

В условиях циклической работы карьерного экскаватора, особенно его поворотного механизма, установившиеся режимы являются скорее исключением, чем правилом. Основное время работы происходит в так называемых переходных режимах – моментах, когда система находится в состоянии изменения. Именно эти динамические процессы определяют производительность, надежность и безопасность машины. Глубокое понимание и возможность прогнозирования этих процессов достигаются благодаря математическому моделированию.

Анализ переходных режимов в электроприводе

Переходным режимом электропривода называют любой режим работы, при котором происходит изменение его параметров – скорости, момента, тока или других величин, – в процессе перехода от одного установившегося состояния к другому. Это своего рода «нервные срывы» системы, когда она вынуждена адаптироваться к новым условиям.

Причины возникновения переходных режимов многочисленны и разнообразны:

• Изменение нагрузки на рабочей машине: Самая частая причина. При копании, заполнении ковша, разгрузке или контакте с препятствием, момент сопротивления на валу двигателя резко меняется, вызывая динамический отклик.
• Управляющие воздействия: Пуск, торможение, реверсирование, изменение уставки скорости или момента – все это преднамеренные действия, инициирующие переходные процессы.
• Аварийные ситуации: Изменение напряжения или частоты питающей сети, короткие замыкания, обрывы цепей – также приводят к переходным процессам, зачастую с нежелательными последствиями.

Влияние переходных процессов на стабильность и эффективность:
Переходные процессы играют ключевую роль в обеспечении как стабильности, так и эффективности электроприводов. Неуправляемые или чрезмерно интенсивные переходные процессы могут привести к:

• Перегрузкам двигателя: Пики тока и момента могут превышать допустимые значения, вызывая перегрев обмоток, механические повреждения или срабатывание защит.
• Механическим ударам: Резкие изменения момента могут вызвать ударные нагрузки на редукторы, муфты и другие механические передачи, сокращая их ресурс.
• Колебаниям: В сложных электромеханических системах могут возникать колебательные процессы, ухудшающие качество управления и снижающие производительность.
• Снижению производительности: Длительные или неоптимальные переходные процессы увеличивают время цикла работы машины.

Характеристики переходных режимов:
Переходные режимы характеризуются одновременным протеканием и взаимосвязью трех видов процессов:

• Механические процессы: Изменение угловой скорости, ускорения, перемещения рабочего органа.
• Электромагнитные процессы: Изменение токов и напряжений в обмотках двигателя и преобразователя, перемагничивание магнитной системы. Эти процессы обычно протекают значительно быстрее механических и тепловых.
• Тепловые процессы: Изменение температуры обмоток двигателя, полупроводниковых приборов преобразователя из-за потерь энергии. Эти процессы протекают наиболее медленно, но определяют допустимую длительность и частоту переходных режимов.

Динамические механические характеристики:
Кривая, связывающая значения угловой скорости ω и вращающего (тормозящего) момента M в переходном процессе, называется динамической механической характеристикой двигателя. Она отличается от статической характеристики тем, что учитывает инерционные силы и электромагнитную инерцию. Анализ динамических характеристик позволяет понять поведение привода при пуске, торможении и изменении нагрузки.

Особое внимание следует уделить тому факту, что механизм поворота экскаваторов-драглайнов и экскаваторов-лопат работает в основном в переходных процессах. Это означает, что для проектирования его электропривода недостаточно анализа установившихся режимов; критически важным является глубокое понимание и оптимизация именно динамических характеристик.

Электропривод как двухмассовая упругая динамическая система

Для механизмов с большой инерцией, таких как поворотный механизм экскаватора, упрощенное рассмотрение электропривода как одномассовой системы зачастую оказывается недостаточным. Более адекватной и точной является модель двухмассовой упругой динамической системы.

Концепция двухмассовой упругой системы:
Эта модель характеризуется наличием двух основных инерционных масс, соединенных между собой упругим элементом:

1. Первая масса: Ротор двигателя с его собственным моментом инерции (J_дв).
2. Вторая масса: Рабочий орган (в нашем случае – поворотная платформа с ковшом, стрелой и т.д.) с ее приведенным моментом инерции (J_раб).
3. Упругий элемент: Механические передачи (редукторы, валы, муфты), которые соединяют двигатель и рабочий орган. Эти элементы не являются абсолютно жесткими и обладают определенной жесткостью (C) и демпфированием (β).

Влияние на динамику:
Между этими двумя массами возникают упругие деформации, которые могут существенно влиять на динамику всей системы. При резких изменениях момента (например, при пуске или торможении) или ударных нагрузках (удар ковша о породу), упругие элементы деформируются, что может привести к:

• Колебательным процессам: Возникновение крутильных колебаний в механических передачах, которые могут привести к пиковым моментам, превышающим номинальные значения в несколько раз. Это значительно увеличивает нагрузку на валы, зубчатые передачи и другие элементы, сокращая их ресурс и даже приводя к разрушению.
• Резонансным явлениям: Если частота собственных колебаний механической части совпадает с частотой внешних воздействий (например, пульсации момента двигателя или частоты включения/выключения), может возникнуть резонанс, что приведет к катастрофическому увеличению амплитуды колебаний.
• Снижению точности позиционирования: Колебания рабочего органа затрудняют точное управление и позиционирование, что критично для эффективной работы экскаватора.

Математическое описание такой системы включает в себя как электрические уравнения двигателя и преобразователя, так и механические уравнения для двух масс и упругой связи. Учет этих особенностей является обязательным при синтезе параметров регуляторов для электропривода поворота экскаватора, позволяя предотвратить нежелательные колебания и обеспечить плавность работы.

Математическое моделирование и программные средства

Для исследования динамических процессов и оптимизации параметров электропривода невозможно обойтись без математического моделирования. Оно позволяет имитировать поведение системы в различных режимах работы, анализировать переходные процессы, оценивать влияние различных параметров и настраивать регуляторы без необходимости проведения дорогостоящих и трудоемких натурных экспериментов.

Математические модели:
Математическая модель электропривода обычно представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные и механические процессы. Для двигателя постоянного тока, например, используются уравнения:

• Уравнение электрического равновесия якоря:
  Uя = Iя ∙ Rя + Lя ∙ dIя/dt + Ea
  где U_я – напряжение на якоре, I_я – ток якоря, R_я – сопротивление якоря, L_я – индуктивность якоря, E_a – противо-ЭДС.
• Уравнение механического движения:
  J ∙ dω/dt = Mэ - Mс
  где J – приведенный момент инерции, ω – угловая скорость, M_э – электромагнитный момент двигателя, M_с – момент сопротивления.

Для сложных систем, таких как электропривод экскаватора, эти уравнения дополняются моделями преобразователей (тиристорных, транзисторных), регуляторов (ПИ, ПИД), датчиков и механической части (включая упругие связи).

Программные средства для моделирования:
Современные инженерные пакеты предоставляют мощные инструменты для компьютерного моделирования электромеханических систем:

1. Matlab/Simulink: Это де-факто стандарт в области моделирования динамических систем.
   • Simulink: Графическая среда для моделирования, позволяющая строить структурные схемы электропривода из готовых блоков. Виртуальные модели машин постоянного тока (двигателей) и асинхронных двигателей (АД) находятся в библиотеке SimPowerSystems (в разделе Machines).
   • Преимущества: Широкий набор библиотек, возможность моделирования как электрических, так и механических частей, легкая интеграция с алгоритмами управления, возможность построения графиков переходных характеристик (скорости, тока, момента) при различных режимах (пуск, торможение, изменение нагрузки, реверс).
   • Ключевые параметры для анализа переходных режимов: время регулирования, перерегулирование по скорости и току, статическая ошибка, стабильность.
   • Примеры результатов моделирования: Графики изменения скорости ω(t), тока якоря I_я(t), электромагнитного момента M_э(t) в ответ на ступенчатое изменение уставки скорости или нагрузки.
2. SimInTech: Российское программное обеспечение, предлагающее аналогичные возможности, но с акцентом на комплексное моделирование и автоматическую генерацию кода.
   • Особенности: Поддерживает моделирование асинхронных двигателей (АД) и бесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ), а также стандартных узлов (инверторы, ПИ-регуляторы, преобразователи координат, ШИМ).
   • Расширенные возможности: Автоматическая генерация программы управляющего контроллера (трансляция модели алгоритма управления в код на языке СИ) и полунатурное моделирование (совместная работа части модели с реальными узлами электропривода). Это позволяет не только моделировать, но и быстро переходить к реализации алгоритмов управления на реальных контроллерах.
   • Применение: Моделирование всех возможных процессов в синхронном двигателе (например, режимы пуска, полученные при решении уравнения Парка-Горева) и других типах двигателей в штатных и аварийных ситуациях.

Использование этих программных средств позволяет не только глубоко проанализировать поведение электропривода поворотного механизма ЭКГ-5, но и провести оптимизацию его параметров, синтезировать эффективные системы управления и предсказать реакцию на различные эксплуатационные воздействия, минимизируя риски и повышая производительность.

Управление электроприводами и контуры регулирования

Электропривод, особенно в таких ответственных и динамичных машинах, как карьерный экскаватор, не может работать эффективно без сложной иерархической системы управления. Современные экскаваторы опираются на принцип подчиненного регулирования, который обеспечивает высокую точность, быстродействие и стабильность, одновременно защищая оборудование от перегрузок.

Структура систем подчиненного регулирования

Системы подчиненного регулирования – это краеугольный камень автоматизации сложных электроприводов. Их основная идея заключается в декомпозиции общей задачи регулирования (например, скорости) на несколько более простых, последовательно вложенных контуров. В этих системах управляемой величиной является скорость перемещения ковша или частота вращения поворотной платформы.

Общая структура системы подчиненного регулирования обычно включает:

1. Внешний контур регулирования скорости: Это самый медленный контур, который сравнивает заданную скорость с фактической и формирует уставку для внутреннего контура тока. В качестве датчика скорости может использоваться тахогенератор или расчетные методы.
2. Внутренний контур регулирования тока (момента): Это самый быстрый контур, который сравнивает заданный ток (полученный от регулятора скорости) с фактическим током якоря двигателя и формирует управляющее воздействие для преобразователя (например, тиристорного или транзисторного). Этот контур обеспечивает быстрое и точное управление электромагнитным моментом двигателя.

Принципы настройки контуров тока и напряжения для экскаваторных электроприводов по схеме Г-Д:

Настройка контуров – это процесс определения оптимальных параметров регуляторов (пропорциональных, интегральных, дифференциальных) и других элементов системы, чтобы обеспечить желаемую динамику и точность при минимальном перерегулировании и быстром затухании колебаний.

Для системы Г-Д (особенно с тиристорным возбуждением генератора) настройка включает:

• Настройка контура тока возбуждения генератора: Это внутренний контур, который управляет током в обмотке возбуждения генератора. Регулятор тока настраивается на максимальное быстродействие при отсутствии перерегулирования. Подбор сопротивлений, емкостей и других элементов в цепях обратной связи и задатчика позволяет формировать необходимую динамику.
• Настройка контура напряжения генератора (или напряжения якоря двигателя): Этот контур контролирует выходное напряжение генератора. Регулятор напряжения (РН) с ограничением выходного напряжения является критически важным. Он обеспечивает:
  • Ограничение тока якоря двигателя: Поскольку ток якоря двигателя напрямую связан с моментом, ограничение напряжения генератора эффективно ограничивает максимальный ток, предотвращая перегрузки двигателя.
  • Ограничение момента двигателя: Это особенно важно в режимах стопорения или при ударных нагрузках, когда момент двигателя может резко возрастать.
  • Форсировка по напряжению возбуждения генератора: Для быстрого изменения напряжения генератора и тока якоря в переходных режимах применяется форсировка. Это означает, что в короткие промежутки времени напряжение тиристорного преобразователя, питающего обмотку возбуждения генератора, может превышать номинальное в 2-4 раза. Это позволяет максимально быстро изменить ток возбуждения, а значит, и ЭДС генератора, обеспечивая высокую динамику привода. После окончания переходного процесса система управления автоматически снимает форсировку.
• Настройка контура скорости: Внешний контур, который формирует уставку для внутреннего контура тока (или напряжения). Его параметры настраиваются таким образом, чтобы обеспечить заданное качество регулирования скорости (точность, время регулирования, допустимое перерегулирование).

Особенности обратных связей и адаптивное управление

Обратные связи являются основой любой системы автоматического регулирования. Они позволяют системе «видеть» свое текущее состояние и корректировать управляющие воздействия для достижения заданной цели.

Типы обратных связей в электроприводах экскаваторов:

1. Отрицательная обратная связь по ЭДС двигателя: Обеспечивает стабилизацию скорости. Однако, ее точность ниже, чем у обратной связи по скорости с тахогенератором, поскольку она не учитывает влияние переходного сопротивления щеточного контакта и реакции якоря (изменение магнитного потока якоря под воздействием тока).
2. Отрицательная обратная связь по скорости с тахогенератором: Является наиболее точным способом измерения и регулирования скорости. Тахогенератор выдает напряжение, пропорциональное частоте вращения, что позволяет построить высокоточный контур скорости.
3. Отрицательная обратная связь по частоте вращения исполнительного двигателя (для ТП-Д): Отличительной особенностью экскаваторных электроприводов по схеме ТП-Д является возможность использования расчетной величины частоты вращения. В некоторых системах, особенно для более простых экскаваторов, величина частоты вращения может вычисляться расчетным путем на основе других параметров (например, тока и напряжения двигателя, или по косвенным признакам), а не определяться прямым датчиком скорости. Это позволяет упростить конструкцию, но может снизить точность в определенных режимах.
4. Пропорциональный регулятор ЭДС: Позволяет увеличить использование двигателя по перегрузочной способности. При его использовании перерегулирование тока в переходных процессах будет небольшим (например, 4,3%), что предотвращает чрезмерные токовые пики. Однако, в статических режимах может присутствовать небольшая просадка скорости.

Адаптивное управление:
Для повышения динамических свойств и устойчивости системы, особенно в условиях резкопеременных нагрузок, характерных для экскаваторов, целесообразно использование адаптивных регуляторов тока с моделью. Такие регуляторы способны изменять свои параметры настройки в зависимости от текущего состояния системы и параметров нагрузки. Это позволяет улучшить динамику контура в переходных процессах, обеспечивая более плавное управление и сокращая время реакции.

Защита и мультиструктурные системы:
Защита является ключевым элементом автоматики электроприводов. Она осуществляет непрерывный контроль состояния и режима работы, ограничивает параметры (ток, напряжение, температуру, скорость) в допустимых пределах и предотвращает аварийные режимы. Системы защиты срабатывают при превышении заданных порогов, отключая или переводя привод в безопасный режим.

Для электроприводов экскаватора с их многообразием режимов функционирования (копание, поворот, подъем, напор) целесообразно использование мультиструктурной системы управления. Это означает, что алгоритмы управления и параметры регуляторов могут изменяться в зависимости от текущего рабочего режима, обеспечивая оптимальную производительность и безопасность для каждого этапа технологического процесса. Например, параметры регуляторов для режима копания могут отличаться от параметров для режима поворота, что позволяет максимально адаптировать привод к специфике задачи.

Сравнительный анализ различных технических решений и перспективы развития

Мир электроприводов экскаваторов находится в постоянном развитии. От простых электромашинных систем до высокоинтеллектуальных преобразователей частоты, каждое поколение технологий привносит новые возможности и бросает вызовы. Для экскаватора ЭКГ-5, который является представителем классического подхода, важно не только понять текущие решения, но и заглянуть в будущее.

Сравнительный анализ схем Г-Д, ТП-Д для ЭКГ-5

Чтобы оценить эффективность и применимость систем Г-Д и ТП-Д для поворотного механизма ЭКГ-5, необходимо провести их комплексное сравнение по ряду ключевых параметров:

Характеристика	Система Генератор-Двигатель (Г-Д)	Система Тиристорный Преобразователь-Двигатель (ТП-Д)
Принцип работы	Непрерывное электромашинное регулирование (АД-Г-Д).	Непосредственное преобразование переменного тока в постоянный (ТП-Д).
Динамические свойства	Хорошие, но ограничены инерционностью генератора. Требует форсировки.	Отличные, высокое быстродействие за счет полупроводниковых преобразователей.
Надежность	Высокая, но наличие коллекторно-щеточного узла генератора требует обслуживания.	Высокая, меньше движущихся частей. Чувствительность к качеству сети.
Энергоэффективность	Ниже из-за двойного преобразования энергии (электрическая-механическая-электрическая) и потерь в генераторе.	Выше за счет прямого преобразования и меньших потерь.
Электромагнитная совместимость (ЭМС)	Генератор может сглаживать пульсации, но преобразователи возбуждения могут давать помехи.	Тиристорные преобразователи создают гармонические искажения в сети, требуют фильтров.
Габариты и масса	Большие, из-за наличия АД, Г и Д.	Меньшие, отсутствие генератора.
Стоимость	Традиционно ниже в прошлом, но обслуживание и ремонт могут быть дорогими.	Выше на этапе внедрения, но окупается за счет энергоэффективности и меньшего обслуживания.
Проблемы пиков момента	Неблагоприятные динамические свойства в режимах резких стопорений могут вызывать пики момента, значительно превышающие стопорное значение статической экскаваторной характеристики. Требуется тщательная настройка контуров.	Высокое быстродействие может приводить к жестким ударам и пикам момента при неправильной настройке или отсутствии адаптивных регуляторов.
Механические перегрузки	Высока вероятность механических перегрузок, особенно для механизмов, не участвующих непосредственно в процессе копания (например, поворот, подъем), если система управления не обеспечивает эффективное ограничение.	Меньше, при адекватном управлении и защитах, благодаря более точному контролю момента.

Для ЭКГ-5, как для экскаватора среднего класса, обе схемы имеют свои преимущества. Г-Д с ТВ/ТрВ является проверенным и надежным решением, которое позволяет добиться хороших динамических характеристик. ТП-Д, в свою очередь, предлагает более высокую энергоэффективность и компактность, что актуально для модернизации.

Перспективы использования электропривода переменного тока

В последние годы наблюдается отчетливая тенденция к переходу от приводов постоянного тока к регулируемым электроприводам переменного тока, построенным по системе преобразователь частоты-асинхронный двигатель (ПЧ-АД). Эта тенденция затрагивает и карьерные экскаваторы, включая перспективную модернизацию ЭКГ-5.

Преимущества электропривода переменного тока (ПЧ-АД) перед постоянным током:

• Надежность: Асинхронные двигатели (АД) не имеют коллекторно-щеточного узла, который является наиболее уязвимым и требующим частого обслуживания элементом двигателей постоянного тока. Это значительно повышает надежность и снижает эксплуатационные расходы.
• Увеличение КПД: Современные преобразователи частоты и высокоэффективные АД обеспечивают более высокий общий КПД системы, что приводит к существенной экономии электроэнергии.
• Улучшение динамики: ПЧ-АД системы позволяют реализовать векторное управление, обеспечивая высокую точность и быстродействие регулирования момента и скорости, сравнимое или даже превосходящее приводы постоянного тока.
• Снижение энергопотребления: Более высокий КПД и возможность рекуперации энергии в тормозных режимах позволяют значительно снизить общее энергопотребление экскаватора.
• Электромагнитная совместимость: Использование активных выпрямителей в современных ПЧ позволяет снизить гармонические искажения в питающей сети и повысить электромагнитную совместимость приводов экскаватора.
• Компенсация реактивной мощности: Синхронные электроприводы (вариант АД или синхронных машин с ПЧ) могут использоваться для компенсации реактивной мощности в питающей сети карьера, улучшая общие энергетические показатели.
• Меньшая масса и габариты: Асинхронные двигатели при той же мощности обычно имеют меньшие массу и габариты, чем двигатели постоянного тока.

Недостатки (в контексте перехода с постоянного тока):

• Сложность управления: Векторное управление АД сложнее, чем управление ДПТ, требует более мощных микропроцессоров и сложных алгоритмов.
• Стоимость: Изначальная стоимость ПЧ-АД системы может быть выше, чем у традиционных систем постоянного тока, однако она окупается за счет снижения эксплуатационных расходов.
• Требования к монтажу и наладке: Более высокие требования к квалификации персонала для монтажа, наладки и обслуживания.

Тенденции и перспективы внедрения:
Для современных тяжелых экскаваторов переход на электрический привод переменного тока по системе ПЧ-АД является доминирующей тенденцией. Это значительно повышает надежность, увеличивает КПД, улучшает динамику и снижает энергопотребление по сравнению с приводами на основе двигателей постоянного тока.

Для ЭКГ-5, хотя это и предполагает серьезную модернизацию, внедрение ПЧ-АД для поворотного механизма может принести значительные выгоды. Потенциальные перспективы включают:

• Увеличение ресурса механических передач за счет более плавного управления моментом.
• Повышение точности позиционирования платформы.
• Существенное снижение эксплуатационных расходов за счет экономии электроэнергии и уменьшения затрат на обслуживание.
• Возможность интеграции с более сложными системами автоматизации и дистанционного управления.

Критерии выбора оптимальной системы электропривода

Окончательный выбор оптимальной системы экскаваторного привода – это всегда компромисс, основанный на тщательном анализе множества факторов. Для каждого конкретного случая он будет индивидуален:

1. Геологические и горнотехнические условия месторождения: Тип породы (рыхлая, скальная, абразивная), наличие вкраплений, прочность грунта – все это влияет на характер нагрузок и требования к перегрузочной способности привода.
2. Системы разработки: Открытая или подземная разработка, глубина карьера, размеры блоков – определяют протяженность трассы движения, углы поворота и общие циклы работы.
3. Типовые графики нагрузки: Анализ статистических данных о нагрузках за длительный период эксплуатации позволяет точно определить пиковые и средневзвешенные значения момента и мощности.
4. Технические условия регулирования: Требуемый диапазон регулирования скорости, быстродействие, точность позиционирования, плавность хода.
5. Экономические показатели: Общая стоимость владения (Total Cost of Ownership, TCO), включающая капитальные затраты (стоимость оборудования и установки), операционные затраты (энергопотребление, обслуживание, ремонт) и ожидаемый срок службы.
6. Надежность и ремонтопригодность: Возможность быстрой диагностики и замены узлов, доступность запасных частей, квалификация обслуживающего персонала.
7. Экологические требования: Уровень шума, вибрации, электромагнитных помех.

Таким образом, выбор системы электропривода для поворотного механизма ЭКГ-5 – это многофакторная оптимизационная задача, где необходимо учитывать как технические, так и экономические аспекты, чтобы обеспечить максимальную производительность при минимальных эксплуатационных затратах.

Заключение

Изучение электропривода поворотного механизма одноковшового экскаватора ЭКГ-5 позволило глубоко погрузиться в сложный мир электромеханических систем, работающих в экстремальных условиях. В ходе курсовой работы были успешно достигнуты поставленные цели и решены задачи, что обеспечило всестороннее понимание процесса разработки, расчета и компьютерного моделирования таких приводов.

Мы начали с основополагающих определений электропривода, его структурных элементов и углубились в специфику работы экскаваторов, подчеркнув жесткие требования к оборудованию, обусловленные резкопеременными нагрузками, вибрациями, широким диапазоном температур и запыленностью. Затем был детально проанализирован поворотный механизм ЭКГ-5, рассмотрены его функции, состав и особенности различных типов опорно-поворотных устройств, выделив их ключевые характеристики и применимость.

Центральной частью работы стали методики расчета мощности двигателя и моментов инерции. Мы дали определение момента инерции, привели формулы для осевого момента инерции и теорему Гюйгенса-Штейнера, а также подробно описали алгоритм расчета суммарного момента инерции вращающихся частей экскаватора (платформы, ковша, стрелы, напорного механизма). Была представлена методика определения средневзвешенной мощности электродвигателя с учетом цикличного характера работы, а также сформулированы общие требования к экскаваторным электроприводам.

Особое внимание уделено сравнительному анализу традиционных схем управления постоянного тока: Генератор-Двигатель (Г-Д) с тиристорным (ТВ) и транзисторным (ТрВ) возбуждением, а также Тиристорный Преобразователь-Двигатель (ТП-Д). Были рассмотрены принципы их действия, механические характеристики, возможности регулирования скорости и реверсирования, а также выделены преимущества и недостатки каждой схемы применительно к ЭКГ-5.

В разделе о динамических процессах мы акцентировали внимание на том, что механизм поворота функционирует преимущественно в переходных режимах, подробно описали их причины и влияние на стабильность и эффективность привода. Концепция электропривода как двухмассовой упругой динамической системы позволила глубже понять механизмы возникновения колебательных процессов и резонансных явлений. Были представлены математические модели и описаны современные программные средства (Matlab/Simulink, SimInTech), используемые для компьютерного моделирования динамики электропривода.

Далее мы рассмотрели принципы построения и настройки систем подчиненного регулирования, включая контуры тока и напряжения, роль форсировки по напряжению возбуждения и особенности применения различных типов обратных связей. Подчеркнута важность адаптивного управления и многоуровневых систем защиты.

В заключительном аналитическом блоке был проведен комплексный сравнительный анализ рассмотренных технических решений для ЭКГ-5, а также обозначены перспективы использования регулируемых электроприводов переменного тока (ПЧ-АД). Были выявлены их преимущества в плане надежности, энергоэффективности и динамики, а также рассмотрены критерии выбора оптимальной системы электропривода, учитывающие геологические, горнотехнические и экономические факторы.

Таким образом, проделанная работа позволила получить глубокие и систематизированные знания о расчете, моделировании и управлении электроприводом поворотного механизма экскаватора ЭКГ-5. Эти знания являются прочной базой для дальнейшего обучения и практической деятельности в области электропривода и автоматизации промышленных установок.

В качестве направлений для дальнейших исследований можно предложить:

• Разработка и детальное моделирование мультиструктурной системы управления для ЭКГ-5 с адаптивными регуляторами, учитывающими изменяющиеся параметры нагрузки и жесткость механической части.
• Экономический анализ внедрения современных ПЧ-АД систем для модернизации существующего парка экскаваторов ЭКГ-5, включая расчет срока окупаемости.
• Исследование влияния различных методов диагностики и предиктивного обслуживания на надежность и долговечность электроприводов экскаваторов.

Список использованной литературы

1. Гришко А.П., Шелоганов В.И. Стационарные машины и установки: Учебное пособие для вузов. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. 328 с.
2. Ефимов В.Н., Цветков В.Н., Садовников Е.М. Карьерные экскаваторы: Справочник рабочего. М.: Недра, 1994. 381 с.
3. Исаев И.Н., Созонов В.Г. Электропривод механизмов циклического действия. М.: Энергоатомиздат, 1994. 144 с.
4. Католиков В.Е., Динкель А.Д., Седунин А.М. Автоматизированный электропривод подъемных машин глубоких шахт. М.: Недра, 1983.
5. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. СПб.: Энероатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2000. 496 с.
6. Кочетков В.П. Основы теории управления: Учебное пособие. Абакан: Издательство ХГУ им. Н.Ф.Катанова, 2001. 264 с.
7. Ляхомский А.В., Фащиленко В.Н. Управление электромеханическими системами горных машин. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. 296 с.
8. Петров В.Л., Фащиленко В.Н. Регулируемый электропривод переменного тока: Учебное пособие. М.: МГГУ, 2001. 37 с.
9. Петров В.Л., Фащиленко В.Н. Регулируемый электропривод постоянного тока: Учебное пособие. М.: МГГУ, 2001. 62 с.
10. Преобразователи частоты в современном электроприводе: Доклады научно-практического семинара. М.: Изд-во МЭИ, 1998. 72 с.
11. Розанов Ю.К., Соколова Е.М. Электронные устройства электромеханических систем: Учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 272 с.
12. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления / В.А.Бесекерский, А.Н.Герасимов, С.В.Лучко, А.В.Небылов и др.; под ред. В.А.Бесекерского. М.: Наука, 1978. 512 с.
13. Системы электропривода и электрооборудования роторных экскаваторов / Ю.Т. Калашников, А.О.Горнов, В.И.Остриров и др. М.: Энергоатомиздат, 1988. 312 с.
14. Современные карьерные экскаваторы / Б.И.Сатовский, Г.М.Ярцев, П.И.Полещук, В.Н.Цветков и др. М.: Недра, 1971. 480 с.
15. Справочник по автоматизированному электроприводу / под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.
16. Сташинов Ю.П. Теория автоматического управления: Учебное пособие. Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2008. 134 с.
17. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / под ред. В.М.Терехова. М.: Издательский центр «Академия», 2005. 304 с.
18. Что такое электрический привод – определение понятия и его сущностные признаки. URL: https://www.mir-avtomatiki.ru/blog/chto-takoe-elektricheskiy-privod-opredelenie-ponyatiya-i-ego-sushchnostnye-priznaki/ (дата обращения: 25.10.2025).
19. Момент инерции. URL: https://bigenc.ru/physics/text/2223783 (дата обращения: 25.10.2025).
20. Электропривод что это такое простыми словами. URL: https://www.mir-avtomatiki.ru/blog/chto-takoe-elektroprivod-prostymi-slovami/ (дата обращения: 25.10.2025).
21. Что такое электрические приводы? Их устройство, виды и назначение. URL: https://www.mir-avtomatiki.ru/blog/chto-takoe-elektricheskie-privody/ (дата обращения: 25.10.2025).
22. Кинематическая цепь и механизм. URL: https://www.teh-mehanika.ru/kinematicheskaya-tsep-i-mehanizm (дата обращения: 25.10.2025).
23. Поворотный механизм экскаватора. URL: https://www.vashdom.ru/gost/13813_99/str20.htm (дата обращения: 25.10.2025).
24. Поворотное устройство экскаватора и его характеристики. URL: https://xugong.ru/news/povorotnoe-ustroystvo-ekskavatora-i-ego-harakteristiki/ (дата обращения: 25.10.2025).
25. Момент инерции тела, оси, маятника: формулы и расчеты. URL: https://inner-engineering.ru/moment-inercii (дата обращения: 25.10.2025).
26. Поворот экскаватора: что нужно знать. URL: https://hitmachinery.ru/pressroom/articles/povorot-ekskavatora-chto-nuzhno-znat/ (дата обращения: 25.10.2025).
27. Кинематическая цепь. URL: https://sl3d.ru/kinematicheskaya-tsep.html (дата обращения: 25.10.2025).
28. Кинематические цепи и механизмы. URL: https://stud.wiki/lektsii/tmm/kinematicheskie-tsepi-i-mekhanizmy.html (дата обращения: 25.10.2025).
29. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ. URL: https://lektsii.org/3-28989.html (дата обращения: 25.10.2025).
30. Устройство и принцип работы поворотного механизма экскаватора. URL: https://blog.ru.topunionspares.com/post/excavator-slewing-mechanism-structure-and-working-principle (дата обращения: 25.10.2025).
31. Элементы динамики и переходные процессы в электроприводе. URL: https://studme.org/137604/tehnika/elementy_dinamiki_perehodnye_protsessy_elektroprivode (дата обращения: 25.10.2025).
32. Как работает механизм поворота башни экскаватора? URL: https://stc-spb.ru/articles/kak-rabotaet-mekhanizm-povorota-bashni-ekskavatora/ (дата обращения: 25.10.2025).
33. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА, ВИДЫ И ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА — ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД. URL: https://studme.org/137604/tehnika/elektroprivod_elektrooborudovanie#22 (дата обращения: 25.10.2025).
34. Система генератор — двигатель постоянного тока. URL: https://www.electricalschool.info/main/electroprivod/1036-sistema-generator-dvigatel.html (дата обращения: 25.10.2025).
35. Электропривод по системе генератор — двигатель (г—д). URL: https://studfile.net/preview/6912384/page:3/ (дата обращения: 25.10.2025).
36. Переходные процессы электропривода механизма подъема экскаватора. URL: https://studfile.net/preview/3639459/page:18/ (дата обращения: 25.10.2025).
37. Разработка электропривода поворотного механизма экскаватора. URL: https://homework.ru/info/razrabotka-elektroprivoda-povorotnogo-mekhanizma-ekskavatora/ (дата обращения: 25.10.2025).
38. Математическое моделирование синхронного двигателя карьерного экскаватора. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=12852277 (дата обращения: 25.10.2025).
39. Что такое переходной процесс в электроприводе. URL: https://www.mir-avtomatiki.ru/blog/chto-takoe-perekhodnoy-protsess-v-elektroprivode/ (дата обращения: 25.10.2025).
40. Требования к электроприводу механизмов экскаваторов. URL: https://studfile.net/preview/6912384/page:7/ (дата обращения: 25.10.2025).
41. Определение момента инерции вращающихся частей одноковшовых экскаваторов и мощности двигателя поворота. URL: https://studfile.net/preview/3639459/page:21/ (дата обращения: 25.10.2025).
42. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ. URL: https://pedagoglar.org/uploads/jurnal/pages/Pedagoglar-64-son-1-toplam-Dekabr-2024-Sahifa-132.pdf (дата обращения: 25.10.2025).
43. Моделирование системы управления электроприводом шагающего экскаватора. URL: https://ismt.ru/wp-content/uploads/2021/02/09-02-2021-1.pdf (дата обращения: 25.10.2025).
44. Механика электропривода как двухмассовая упругая динамическая система. URL: https://www.mir-avtomatiki.ru/blog/mekhanika-elektroprivoda-kak-dvukhmassovaya-uprugaya-dinamicheskaya-sistema/ (дата обращения: 25.10.2025).
45. Расчет электропривода механизма поворота. URL: https://studfile.net/preview/4414995/page:14/ (дата обращения: 25.10.2025).
46. ЭЛЕКТРОПРИВОД И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА ЭКСКАВАТОРА Э. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/287310574.pdf (дата обращения: 25.10.2025).
47. Математическая модель и исследование системы управления электроприводом постоянного тока экскаватора-драглайна. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/matematicheskaya-model-i-issledovanie-sistemy-upravleniya-elektroprivodom-postoyannogo-toka-ekskavatora-draglayna/viewer (дата обращения: 25.10.2025).
48. Определение нагрузок и расчет мощности на механизм поворота экскаватора. URL: https://studfile.net/preview/4414995/page:25/ (дата обращения: 25.10.2025).
49. Расчет электропривода экскаватора ЭКГ-4,6Б. URL: https://other.allbest.ru/other/00552787_0.html (дата обращения: 25.10.2025).
50. Системы электропривода. URL: https://studfile.net/preview/6912384/page:40/ (дата обращения: 25.10.2025).
51. «SimInTech»: моделирование в электроприводе. URL: https://www.rntlab.ru/wp-content/uploads/2019/06/Book_SimInTech_ElectroPrivod.pdf (дата обращения: 25.10.2025).
52. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В SIMULINK (MATLAB 7.0.1). URL: http://uchebnik.online/elektrika-energetika/modelirovanie-sistem-elektroprivoda-simulink.html (дата обращения: 25.10.2025).
53. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ОДНОКОВШОВЫХ ЭКСКАВАТОРОВ. URL: https://studfile.net/preview/6912384/page:13/ (дата обращения: 25.10.2025).
54. Анализ систем электропривода одноковшового экскаватора с непрерывным электромашинным регулированием / Н. М. Караваева. Санкт-Петербургский горный университет. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-sistem-elektroprivoda-odnokovshovogo-ekskavatora-s-nepreryvnym-elektromashinnym-regulirovaniem/viewer (дата обращения: 25.10.2025).
55. СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ЭКСКАВАТОРОВ. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/struktura-i-algoritmy-upravleniya-elektroprivodom-peremennogo-toka-ekskavatorov/viewer (дата обращения: 25.10.2025).
56. Электроприводы по схеме ТП-Д. URL: https://bstudy.ru/rabota/elektroprivod-mashin-i-oborudovaniya/elektroprivody-po-sheme-tp-d.html (дата обращения: 25.10.2025).