Электропривод карьерного экскаватора

Эволюция электропривода карьерных экскаваторов за последние тридцать лет привнесла некоторые изменения в конструкцию, но по-настоящему новых принципиальных решений, уже внедренных на «живых» машинах, мало.

Классически для привода главных механизмов применяются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, питаемые от регулируемых генераторов (система Г–Д) или регулируемых статических тиристорных преобразователей (система ТП–Д).

Двигатель с экскаваторной (саморазгружающейся) характеристикой подразумевает работу с номинальной частотой вращения вплоть до стопорного максимального момента, по достижении которого двигатель останавливается, но не теряет усилие на приводном валу. То есть когда, к примеру, груженый ковш упирается в неподвижный массив и усилия, развиваемого подъемной лебедкой, недостаточно для внедрения ковша, не должно происходить «опрокидывание» двигателя, т. е. падение оборотов и снижение момента на валу двигателя. Для сохранения наибольшей производительности экскаватора желательно, чтобы двигатель работал с постоянной наибольшей частотой вращения до момента начала стопорения (наибольшей нагрузки). Это означает, что механическая характеристика (зависимость частоты вращения от момента на валу двигателя) должна быть жесткой, состоять из рабочего участка с минимальной линейной зависимостью частоты вращения от момента и нерабочего участка, соответствующего падению частоты вращения при максимальном моменте стопорения. К такому экскаваторному режиму наиболее близок режим работы двигателей постоянного тока.

Из школьного курса все знают, что обмотка возбуждения двигателя постоянного тока в виде главных магнитных полюсов располагается в статоре, на обмотку якоря (ротора) ток поступает через щетки и коллектор – аппарат, который преобразует постоянную э.д.с. питающей сети в переменную э.д.с. обмотки якоря.

Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока возможно тремя способами: изменением сопротивления обмотки якоря, подводимого напряжения или потока возбуждения (тока возбуждения). Изменение сопротивления обмотки якоря для регулирования невыгодно, так как не экономично и сильно смягчает механическую характеристику. Регулирование изменением потока возбуждения применимо при малых моментах нагрузки. Момент двигателя прямо пропорционален потоку возбуждения, а кроме того, обрыв в цепи возбуждения может привести к работе двигателя вразнос при отсутствии значимой нагрузки на валу, так как частота вращения обратно пропорциональна потоку возбуждения.

Регулирование частоты вращения изменением питающего напряжения требует источника с регулируемым напряжением.

Питание двигателей постоянного тока (главных приводов экскаватора) долгий период времени осуществлялось от генераторов постоянного тока (система Г–Д). Это достаточно надежная и простая в управлении система электропривода, она используется уже много десятилетий в приводах карьерных экскаваторов.

В простейшей системе Г–Д изменение питающего напряжения (выходного напряжения генератора) происходит путем изменения тока возбуждения в независимой обмотке возбуждения генератора (например, с помощью реостата в цепи возбуждения). Снижение питающего напряжения приводит к снижению частоты вращения двигателя при сохранении рабочего момента и жесткости рабочих характеристик (справедливо для двигателей с независимым и параллельным возбуждением).

Для привода генераторов используется сетевой двигатель. Обычно преобразовательный агрегат включает в себя один или несколько сетевых двигателей, которые вращают генераторы. Каждый генератор обеспечивает привод соответствующего механизма – привод подъема, напора (тяги для драглайнов), поворота, хода, открытия днища ковша (для ЭКГ). В агрегат может входить генератор собственных нужд, питающий постоянным током обмотки возбуждения двигателей и генераторов. В качестве сетевого двигателя используются мощные асинхронные (ЭКГ-5А) или синхронные двигатели переменного тока (ЭКГ-10, ЭКГ-15, ЭШ-11.70 и т. д.).

Индивидуальный привод основных механизмов автоматизирован. Машинист управляет только частотой вращения и проводит реверсирование двигателя в процессе копания. Остальные процессы регулирования (стабилизация частоты вращения и ограничение предельной нагрузки, формирование экскаваторной характеристики) происходят автоматически. В основу принципа автоматизации управления отдельного механизма положена специальная система автоматического регулирования (САР). Регулятором здесь выступает силовой магнитный усилитель (он заменяет управляющий реостат в цепи возбуждения в простейшей схеме). В САР генератор является одновременно усилительным и исполнительным элементом, двигатель – объектом регулирования, а регулируемой величиной является частота вращения двигателя. При управлении машинист, желая установить определенную частоту двигателя, воздействует на цепь возбуждения генератора, т. е. изменяет величину тока в его обмотке возбуждения посредством командоконтроллера. Для поддержания заданного режима в САР присутствует обратная связь, обеспечивающая корректирующее воздействие на магнитные усилители и далее на ток в цепи возбуждения генератора.

Более прогрессивной считается схема, в которой питание обмотки возбуждения генератора (двигателя) осуществляется посредством тиристорного преобразователя. При такой схеме не требуется задействовать генератор собственных нужд, призванный питать обмотки возбуждения электромашин и привода малой мощности (открытия днища ковша). Основными преимуществами тиристорных возбудителей являются малая инерционность и более высокий к.п.д. по сравнению с силовыми магнитными усилителями. Тиристор преобразует переменный ток в постоянный с регулированием выпрямленного напряжения. Ток управления тиристора регулируется сельсинным командоаппаратом.

Второй способ – использовать вместо генератора тиристорный преобразователь (ТП–Д). Однако использование силовых тиристорных преобразователей для электропривода главных приводов приводит к снижению коэффициента мощности энергетической установки экскаватора, появлению дополнительных гармоник и колебаний напряжения в сети, что снижает качество электроснабжения карьера. Чтобы уменьшить негативное влияние работы ТП на сеть, на экскаваторах используются фильтрокомпенсирующие устройства. В бывшем СССР схема ТП–Д была обкатана на ЭКГ-20.

Другим перспективным направлением является применение импульсного способа изменения какого-либо параметра двигателя – напряжения, сопротивления в цепях статора или ротора. Изменяя длительность импульса, достигают изменения средней частоты вращения.

Асинхронные двигатели, питаемые от регулируемых статических преобразователей частоты (ПЧ–АС), применяют в электроприводе начиная с 1970-х годов. Асинхронные электродвигатели благодаря простоте производства и надежности в эксплуатации широко используют в нерегулируемом электроприводе. Основные их недостатки – ограниченный диапазон регулирования частоты вращения и значительное потребление реактивной мощности.

Преобразователи частоты получили распространение в первую очередь в системах плавного пуска. Сейчас частотные преобразователи внедряются и в качестве регуляторов в мощных приводах (до 10 МВт шахтные подъемники, вентиляционные системы, водоотлив, конвейерный транспорт, тяговый привод подвижного состава на железнодорожном транспорте и др.). Применение частотных преобразователей позволяет:

• плавно регулировать скорость вращения асинхронного электродвигателя при сохранении момента на валу;
• снизить потребление электроэнергии на 30…50% за счет оптимального управления электродвигателем в зависимости от нагрузки;
• осуществлять плавный пуск электродвигателя с током, не превышающим номинального значения для электродвигателя;
• устранить пиковые нагрузки на электросеть и просадки напряжения в ней в момент пуска электропривода.

Частотные преобразователи создают определенные электромагнитные помехи, для уменьшения которых необходимо применять дополнительные фильтры. Для работы на низких частотах требуется эффективное принудительное охлаждение. Другой аспект – трудность обеспечения экскаваторной механической характеристики. В процессе работы экскаватора нагрузочные моменты могут меняться в значительной степени за короткие промежутки времени от максимальных моментов, способных «опрокинуть» двигатель, до минимальных. Поэтому требуется автоматическая одновременная регулировка частоты и питающего напряжения, поступающего на обмотку статора.

Несмотря на высокую перспективность системы ПЧ–АС, массового и быстрого внедрения на экскаваторах в России она до сих пор не получила. Здесь сказывается и определенный общий провал 1990-х годов в промышленности, и необходимость внедрять новые решения в системах автоматического регулирования. Работоспособность системы ПЧ–АС неоднократно доказана, в том числе при эксплуатации модернизированного экскаватора ЭШ-20.90 на Сафроновском разрезе (Иркутская обл.).

Вопросов при использовании системы ПЧ–АС возникает много, для краткого их обзора потребуется отдельная публикация.

Сегодня мировые лидеры производства электрических экскаваторов, такие как Bucyrus International Inc. с входящими в ее состав Marion и Ransomes-Rapier, а также P&H предлагают экскаваторы с электроприводом, выполненным по разным схемам – ПЧ–АС, Г–Д, ТП–Д. Выбор системы остается за заказчиком.