Устройство для управления электродвигателем механизма поворота карьерного экскаватора Советский патент 1989 года по МПК E02F9/20 

1

Изобретение относится к горной технике и может быть применено в электроприводах механизмов поворота карьерных экскаваторов.

Целью изобретения является повышние производительности карьерного экскаватора.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства управления; на фиг. 2 - статические характеристики электродвигателя; на фиг. 3 - харак теристика ограничителя напряжения; на фиг. 4 - функциональная схема оптоэлектронного преобразователя.

Устройство содержит приводной электродвигатель 1, питающий преобрзователь 2, регулятор 3 тока, ограничитель 4 тока, регулятор 5 напряжения, командоконтроллер 6, ограничитель 7 напряжения, датчик 8 напряжения, вьшрямительный мост 9, стаби- дизатор 10 напряжения, оптоэл1ЕКтрон- ный преобразователь 11, ограничители 12, 13 тока, источник 14 постоянного тока. .

Оптоэлектронный преобразователь в одном из возможных вариантов реализации содержит оптопары 15 и 16, транзистор 17 и диоды 18-21.

Устройство работает следующим образом.

Подача задающего напряжения на задающий вход регулятора 3 тока осуществляется следующим образом. В случае положительного напряжения на выходе регулятора 5 напряжения это напряжение поступает через диод 18, ограничитель 4 тока и диод 21 на задающий вход регулятора 3 тока. В случае отрицательного напряжения на

выходе регулятора 5 это напряжение через диод 19, ограничитель 4 тока и диод 20 также поступает на задаю- щий вход регулятора 3 тока. Таким образом, применение выпрямительного моста, образованного диодами 18-21, обеспечивает прохождение тока через ограничитель 4 тока и цепь коллекo ОР эмиттер транзистора 17 только в одном направлении, независимо от полярности напряжения на выходе регулятора 5 напряжения.

Работа оптоэлектронного преобра5 зователя 11 состоит в изменении сопротивления цепи коллектор - эмиттер транзистора 17, шунтирующей часть ограничителя 4 тока, в зависимости от величины тока цепи база - эмиттер

0 транзистора 17, а изменение этого тока осуществляется в функции входных сигналов оптоэлектронного преобразователя - токов через излучатели диодных оптопар 15 и 16. В ре5 зультате этого эквивалентное сопротивление участка выход регулятора 5 напряжения - задающий вход регулято- тора 3 тока изменяется Иу тем самым, напряжение на задающем входе регуля0 тора 3 тока регулируется в функции входных сигналов оптоэлектронного преобразователя 11 - токов через излучатели оптопар 15 и 16.

Так, например, при малой величине тока, протекающего через излуча тель оптопары 15, значение обратного фототока, протекающего через фотодиод оптопары 15, является ничтожно малым и транзистор 17 работает в режиме отсечки. При этом сопротивле

иие цепи коллектор - эмиттер транзистора 17 является максимальным.

При повьпиении тока, протекающего через излучатель оптопары 15, увличивается сила света излучающего дода, возрастает значение обратного фототока, протекающего через фотодиод оптопары 15, вследствие чего повьппается ток в цепи база - эмитте транзистора 17, он переходит в активный режим и сопротивление цепи коллектор - эмиттер транзистора 17 будет уменьшаться.

При достижении определенной величины обратного фототока, протекающего через фотодиод оптопары 15, транзистор 17 переходит в режим насьш е- ния и сопротивление перехода коллектор - эмиттер транзистора 17 будет минимальным.

Аналогичной является работа при управлении с использованием оптопары 16. При управлении процессом разгона электропривода управляющий орган командоконтроллера 6 перемещается из нулевого положения в крайнее соответствующее требуемому направо . лению движения. При этом сигнал задания скорости, поступающий на первый вход регулятора 5 напряжения и на первый вход ограничителя 7 напряжения, постепенно повышается от нуля .до максимального значения.

На выходе питающего преобразователя 2 -появляется напряжение и электродвигатель 1 начинает разгоняться. Напряжение, прикладываемое к якорю электродвигателя 1, повышается, увеличивается сигнал отрицательной обратной связи по напряжению электродвигателя, подаваемый на входы регулятора 5 напряжения и ограничителя 7 напряжения. Напряжение на выходе ограничителя 7 пропорционально разности сигналов задания скорости и отрицательной обратной связи по напряжению электродвигателя.

При малых значениях сигнала задания скорости стабилизатор 10 напряжения не пробивается и ток во входной цепи оптоэлектронного преобразователя 11 не протекает. При этом, вследствие наличия в цепи задания регуля- тора 3 тока ограничителя 4 тока с большим сопротивлением, задание регулятору тока является малым и ток якоря, а следовательно, и момент электродвигателя будет малым. Величина со

39t

противления ограничителя ч тока выбирается такой, чтобы развиваемый электродвигателем при этом момент обеспечивал плавный выбор зазоров в передаче. Этой величине сигнала задания скорости соответствует характеристика XI электродвигателя со стопорным током 1, , приведенная на фиг. 2. 10 При дальнейшем перемещении управляющего органа командоконтроллера растет сигнал задания скорости, напряжение, прикладываемое к стабилизатору 10 напряжения, достигает нап- 15 ряжения пробоя и во входной цепи оптоэлектронного преобразователя 11 появляется ток. Однако при малых значениях этого тока не происходит изменение сопротивления выходной цепи эпто- 20 электронного преобразователя 11 и ве-. личина задания регулятору тока не изменяется. Этой величине сигнала задания скорости с:оответствует механическая характеристика Х2 электро- 25 двигателя, приведенная на фиг. 2. Величина напряжения стабилизатора 10 напряжения выбирается такой, чтобы .при естественной без напряжения со стороны машиниста скорости перемеще- 30 ния управляющего органа командоконтроллера успевали выбрать зазоры в передаче.

При дальнейшем росте сигнала задания скорости ток во входной цепи оптоэлектронного преобразователя 11 достигает значения, при котором начинает уменьшаться сопротивление выходной цепи оптоэлектронного преобразователя 11, что приводит к росту за- 4Q Дания регулятору тока и постепенному повышению момента электродвигателя. Этой величине сигнала задания скорости соответствуют промежуточные характеристики ХЗ, Х4 и Х5 электродвигате35

4g ля со стопорными токами I

CT,i

-ст.з

ст. 4

приведенные на фиг. 2. На50

5

и I

личие промежуточных механических характеристик типа характеристик ХЗ, Х4 и ХЗ способствует повышению плавности нарастания тока якоря от минимального до предельно допустимого значения 1ст,4Когда ток во входной цепи оптог электронного преобразователя 11 дос- значения, при котором происходит насьш1ение выходного элемента оптоэлектронного преобразователя 11, сопротивление его выходной цепи становится минимальным, а сигнал задания

регулятору тока - максимальным, обеспечивающим разгон электродвига- теля с предельно допустимым при выбранных зазорах ускорением. Этой величине сигнала задания скорости соответствует характеристика Х6.

Дальнейший рост сигнала задания скорости не вызывает изменения, сопротивления выходной цепи оптоэлектрон- ного преобразователя 11. Поэтому до достижения .максимальной скорости момент электродвигателя будет поддерживаться на предельно допустимом уровне. Характеристика Х7 соответствует максимальному значению скорости электродвигателя.

Формирование участков характеристик XI, Х2, Кб и Х7, находящихся в первом квадранте (фиг. 2), соответствует известной системе подчиненного регулирования. Следует отметить что эти характеристики приведены п:рй менительно к интегральному закону регулирования тока с параметрами, обеспечивающими нулевую жесткость участка ограничения тока, В связи с тем, что характеристики XI и Х2 соответствуют большей величине сопротивления ограничителя А тока, приводя- - щей к уменьшению передаточного коэффициента регулятора 3 тока, а следовательно, и коэффициента усиления всей системы, рабочие участки этих характеристик являются немного мягче по сравнению с таковыми в характеристиках Х6 и Х7.

Рассмотрим более детально формирование характеристики ХЗ. Для этого воспользуемся приведенной на фиг. 3 характеристикой ограничителя 7 напряжения- зависимостью напряжения на выходе ограничителя от величины напряжения управления Ui на .его входе. На фиг. 3 приняты следующие основные обозначения:

и

величины соответствен

пр-

% но напряжения управления и напряжени

на выходе ограничителя напряжения, при которых начинает пробиваться стабилизатор 10 напряжения;

U|., Up - величины этих же напряжении, при которых начинает умень- шиться сопротивление выходной цепи оптоэлектронного преобразователя 11

и Uro - величины этих же напря жении, при которых сопротивление выходной цепи оптоэлектронного преоб- разователя 11 становится Ш1нимальны

, - величины этих же напря61839

и ,

жений, соответствующие установившемуся режиму работы на основной рабо

чей характеристике Х7 фиг. 2;

и

нас

- величина напряжения насыщения ограничителя напряжения.

Точке а характеристики ХЗ соот10

пр

15

20

ветствует значение и, при Котором величина сопротивления ограничителя 4 тока имеет максимальное значение. Участок а-б формируется схемой автоматического регулирования напряжения на выходе питающего преоб- разовтеля 2 с помощью регулятора 5 напряжения. При повьш1ении нагрузки напряжение электродвигателя 1 снижа ется настолько, что регулятор напряжения переходит в режим насьщ;ения, а регулятор 3 тока формирует участок б-в характеристики ХЗ. В точке в из-за значительного уменьшения напряжения электродвигателя 1 напряжение 25 управления ограничителя 7 напряжения достигает значения Uu, при котором начинает уменьшаться сопро- тивление выходной цепи оптоэлектронного преобразователя 11. По мере 30 дальнейшего уменьшения напряжения . электродвигателя 1 величина напряже- ния задания регулятора 3 тока увеличивается и ток якоря электродвигателя растет. Таким образом, формирует- ся участок в-г характеристики ХЗ. Аналогично происходит формирование характеристик ХА и Х5. Однако в связи с тем, что характеристикам Х4 и Х5 в установившемся режиме работы

40

соответствуют большие значения

ui Uu и uf Ui, величина напря,п

45

-

я

г ;

жения и дли этих характеристик будет достигнута при меньшем изменении напряжения электродвигателя. Поэтому длина участков б «-в и б -в этих характеристик меньше, чем участка б-в. В точке г характеристики Х5 достигается значение U при котором величина задания регулятора 3 тока достигнет максимального значения. Дальнейшее понижение напряжения электродвигателя при увеличении нагрузки не приводит к изменению задания р егулятора 3 тока. . сс.Лри этом происходит формирование вер тикального участка токоограничения с максимальным значением тока, составляющим 1от.4 Применительно к характеристикам ХЗ и Х4 это значение

50

тока достигается при работе в IV-м квадранте.

Когда ЭДС электродвигателя 1 становится большей ЭДС питающего преобразователя 2, характеристика ХЗ переходит во 11-й квадрант. Соответственно, увеличивается и напряжение на электродвигателе, а при некотором его значении регулятор 5 напряжения переходит в режим насыщения, при котором происходит формирование вертикального участка д-е характеристики ХЗ. Вследствие подачи на вход ограничителя напряжения сигнала отрицательной обратной связи по напряжению при постоянном сигнале задания и росте напряжения на электродвигателе величина U уменьшается Iв

и при напряжении электродвигателя,

соответствующем точке д характеристики ХЗ, имеем U. Uu, Дальнейшее повьш1ение напряжения на электродвигателе приводит к уменьшению Uu до нуля и затем к изменению его полярности, а следовательно, и полярности напряжения ограничителя 7 напряжения. В связи с тем, что на выход orj- раничителя 7 напряжения включен выпрямительный мост 9, полярность сигнала, подаваемого на вход оптоэлект- ронного преобразователя 11, изменяться не будет и при достижении напряжением управления значения Uu -Uu сопротивление выходной цепи оптоэлек- тронного преобразователя 11 опять начинает уменьшаться. Этому значению напряжения электродвигателя соответствует точка с характеристики ХЗ. . Таким образом, на участке д-е величина сопротивления токоограничивающего резистора 4 является максимальной и ток якоря поддерживается на минимальном уровне токоограничения, составляющем 1 ., .

Как видно на фиг. 2, длина участка д-е характеристики ХЗ больше длины участка б-в этой же характеристики, так как при переходе от режима холостого хода для достижения значения Uu, -Uu. требуется изменение напряжения двигателя на большую величину, чем для достижения значения и,. Uu, что наглядно видно на фиг. 3. Этот фактор обеспечивает ограничение тока в начальной стадии торможения величиной 1, 1, даже при быстрой перестановке управляющего органа командоконтроллера в сторону нулево618393 .

го положения, чем гарантируется плавный выбор зазоров при торможении.

При дальнейшем росте напряжения электродвигателя имеем tlknl U.. и

JO

во входной цепи оптоэлектронного преобразователя 11 появляется ток, при котором начинает уменьшаться сопротивление его выходной цепи. Происхо10 дит рост задания регулятора 3 тока и увеличение тока якоря электродвига- теля. Формируется участок е-ж характеристики ХЗ. В точке ж величина % -Uu, при которой сопротивление

15 вькодной цепи оптоэлектронного преоб- разователя 11 становится минимальным. Дальнейшее повьш1ение напряжения электродвигателя не вызывает изменения задания регулятору 3 тока. При этом

20 формируется вертикальный участок токоограничения характеристики ХЗ со значением тока -I..

Аналогичную форму имеют продолжение во 11-м квадранте характеристик

25 XI, Х2, Х4, Х5, Х6 и Х7. Их полное продолжение во 11-м квадранте не показано. Приведена только основная часть этих характеристик до значе-I

стм

выполняю0

5

0

5

0

5

ния тока якоря 1

щая основную роль при ограничении

тока в начальной стадии торможения.

Параметры входных цепей ограничи теля 7 напряжения выбираются такими, чтобы при максимальном значении скорости электродвигателя в установившемся режиме работы напряжение на выходе ограничителя 7 в соответствии с фиг. 3 составило о иГ, т.е.

было немного ниже его напряжения наHdc

сыщения и . Для обеспечения торможения и реверсирования электродвигателя управляющий орган командоконтроллера 6 перемещается в направлении его нулевого положения, уменьшая сигнал задания скорости. Ввиду инерционности привода сигнал отрицательной обратной связи по напряжению электродвигателя уменьшается медленнее сигнала зад ания скорости, вследствие чего уменьшается и даже меняет знак напряжение и„ на входе ограничителя 7 напряжения, что приводит к уменьшению и даже исчезновению тока во входной цепи оптоэлектронного преобразователя 11. При этом сопротивление выходной цепи преобразователя 11 возрастает и задание регулятору тока уменьшается, чем обеспечивается ограничение тормоз но г с тока в начальной стадии торможения элертродвигате- ля значением et. плавный выбор зазоров в передаче.

Аналогично протекает процесс торможения не только с максимальной скорости, но и с любой промежуточной скорости.

Форма характеристики электропривода в нулевом положении командоконтг роллера зависит от параметров управляющих цепей ограничителя 7. Величина сигнала отрицательной обратной связи по напряжению, подаваемой на огра ничитель 7, может быть выбрана такой, что при отсутствии сигнала задания и номинальном напряжении двигателя Uu.uJ.. В этом случае при торможении путем постановки управляющего органа командоконтроллера 6 из рабочего в нулевое положение сопротивление выходной цепи опто- электронного преобразователя 11 будет иметь максимальное значение и тормозной трк будет поддерживаться на уровне 1„ . .Торможение будет неэффективньм.

Если же выбрать величину сигнала отрицательной обратной связи по напг

в указанной цепи оптоэлектронного преобразователя 11 появится ток, при котором сопротивление выходной цепи оптоэлектронного преобразователя 11 становится минимальным. В этом случае электродвигатель будет обладать характеристикой Х9, при которой обеспечивается весьма эффективное торможение.

На фиг. 2 приведены также характеристики Х10...Х16, соответствующие противоположному направлению вра- щения электродвигателя. Их формирование происходит аналогично описанному.

Величина тока во входной цепи оптозлектронного преобразователя 11 ограничивается соответствующим выбором ограничителя 12 тока и напряжения насьщення ограничителя 7 напряжения.

Формула изобретения

25 Устройство для управления электродвигателем механизма поворота карьерного экскаватора содержащее коман- доконтроллер, выход которого соединен с первым входом регулятора напряже

Изобретение относится к горной технике и позволяет повысить производительность карьерного экскаватора. Для этого устройство снабжено оптоэлектронным преобразователем (ОЭП) 11, выходная цепь которого соединена с первым и вторым входами первого ограничителя тока (ОТ) 4. Первая входная цепь ОЭП 11 подключена к положительному вьшоду источника 14 постоянного тока и первому входу ко- мандоконтролера (КК) 6. К второму входу КК через второй ОТ 13 подклю- -чен отрицательный вывод источника 14. Выход КК 6 соединен с первым входом ограничителя напряжения, выход которого соединен с входом выпрямительного моста 9. С второй входной цепью с {С

ряжению, подаваемой на вход ограничи- ЗО иия, выход которого соединен с первым теля 7, такой, что при отсутствии

входом первого ограничителя тока, выход которого через регулятор тока соединен с входом питающего преобразователя, выходы которого подключены к цепям питания злектродвигателя и входам датчика напряжения, выход которого соединен с вторым входом регулятора напряжения, ограничитель напряжения, второй и третий ограничи-- тели тока, вьшрямительный мост, стабилизатор напряжения, источник постоянного тока, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности карьерного экскавато- 45 Р устройство введен оптоэлектрон- ный преобразователь, выходная цепь которого соединена с первым и вторым входами первого ограничителя тока, первая входная цепь оптоэлектронного преобразователя подключена к положительному выводу источника постоянного тока и первому входу командоконтроллера, второй вход которого через второй ограничитель тока подключен к отрицательному выводу источника постоянного тока, выход командоконтроллера соединен с первым входом ограничителя напряжения, выход которого соединен с входом выпрямисигнала задания и номинальном напряжении электродвигателя Uu,Uy, электродвигатель при нулевом положении командоконтроллера 6 будет обладать характеристикой Х8.

При такой форме характеристики и торможении с номинальной скорости начальная стадия процесса торможения протекает весьма эффективно, так как величина тормозного тока определя- ется значением -1.

При снижении скорости до значения определяемого точкой з характеристи- ки Х8, тормозной ток постепенно снижается до величины -I

ff t

(участок

и-к характеристики Х8), а затем до нуля.

Однако и при этой характеристике время торможения слищком велико, и для его уменьщения необходимо испорь- зовать торможение реверсом. Благодаря включению последовательно с дру- гой входной цепью оптоэлектронного преобразователя 11 ограничителя 13 тока и, размьжающего нулевого блок- контакта командоконтроллера 6 при постановке управляющего органа командоконтроллера 6 в нулевое положение-.

ЗО иия, выход которого соединен с первым

35

40

входом первого ограничителя тока, выход которого через регулятор тока соединен с входом питающего преобразователя, выходы которого подключены к цепям питания злектродвигателя и входам датчика напряжения, выход которого соединен с вторым входом регулятора напряжения, ограничитель напряжения, второй и третий ограничи-- тели тока, вьшрямительный мост, стабилизатор напряжения, источник постоянного тока, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности карьерного экскавато- 45 Р устройство введен оптоэлектрон- ный преобразователь, выходная цепь которого соединена с первым и вторым входами первого ограничителя тока, первая входная цепь оптоэлектронного преобразователя подключена к положительному выводу источника постоянного тока и первому входу командоконтроллера, второй вход которого через второй ограничитель тока подключен к отрицательному выводу источника постоянного тока, выход командоконтроллера соединен с первым входом ограничителя напряжения, выход которого соединен с входом выпрями50

55

тельного моста, выход которого через последовательно соединенные стабилизатор напряжения и третий ограничитель тока соединен с второй входной цепью огггоэлектрониого npeoOp;i- зователя, выход датчика напряжения соединен с вторым входом ог раничите- ля напряжения.

Фиг.Ъ

Фив.

О -f