Устройство комбинированного управления электроприводами копающих механизмов экскаватора
Полезная модель относится к управлению горной техникой, а именно, к управлению электроприводами механизмов одноковшовых экскаваторов, которое представляет комбинированную оптимальную систему управления содержащую двухконтурную систему подчиненного регулирования внутренних координат с внешним контуром питающего напряжения и регулятором питающего напряжения и внутренним контуром напряжения возбуждения с регулятором напряжения возбуждения, и аналитически конструируемым оптимальным регулятором (АКОР) внешних координат: тока якорной цепи, скорости двигателя и упругого момента.
Полезная модель относится к управлению горной техникой, а именно, к управлению электроприводами механизмов одноковшовых экскаваторов, в которых требуется ограничение токов, возникающих в режимах с управляющими и возмущающими воздействиями и может быть использовано для управления электроприводами других горных машин.
Известны устройства управления, представляющие в качестве системы регулирования либо один суммирующий усилитель, соединенный с датчиками тока и скорости (Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. Изд. «Энергия». М.: 1979, с.288-290), либо двухконтурную систему подчиненного регулирования с внутренним контуром тока, представляющим регулятор тока и датчик тока, и внешним контуром скорости, состоящим из регулятора скорости и датчика скорости (там же, с.291-294).
Недостатком первого устройства управления является то, что в режимах стопорения ковша, характерных для копающих механизмов, и в режимах пуска, торможения и реверса многодвигательных приводов при наличии зазоров в кинематических передачах, что характерно для поворотных механизмов, динамические выбросы тока превышают его стопорное значение в 1,3-1,7 раза, что является причиной разрушения электромеханического оборудования.
Недостатком второго устройства управления является недостаточно эффективное снижение коэффициента динамичности механизма для приводов копающих механизмов в режиме жесткого стопорения ковша, что приводит к снижению производительности и надежности экскаватора.
Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является устройство управления электроприводами экскаватора а.с. СССР N1432150, Кл. Е02F 9/20, 1988, состоящее из последовательно соединенных командоаппарата, первого сумматора и электропривода, регулятора снижения динамических нагрузок, содержащего два итегратора, один усилитель, два инвертирующих усилителя и замыкающий контакт коммутирующего ключа, датчики тока и скорости двигателя, соединенные соответственно с первым входом регулятора, который через замыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с первым входом первого итегратора, в обратной связи которого включен инвертирующий усилитель, и вторым входом регулятора, выход которого соединен со вторым входом сумматора, датчик нагрузки, вход которого соединен с коммутирующим ключом, а так же последовательно соединенные датчик температуры, пороговый элемент и нелинейность типа отсечки, второй вход которой соединен с выходом датчика тока, а выход соединен с третьим входом сумматора, причем выход первого интегратора регулятора снижения динамических нагрузок соединен через второй интегратор со своим входом и через усилитель с выходом регулятора.
Недостатком последнего устройства является то, что его нельзя использовать в электроприводах главных механизмов с надежной системой суммирующий магнитный усилитель-генератор-двигатель (СМУ-Г-Д), которыми оборудовано в России значительное число парка экскаваторов.
В полезной модели ставится задача снижения динамических нагрузок в механической части за счет системы управления электропривода при одновременном увеличении быстродействия.
Поставленная задача решается таким образом, что в известном устройстве управления электроприводами экскаватора, состоящем из последовательно соединенных командоаппарата и сумматора, электродвигателя, датчика скорости электродвигателя, датчика нагрузки, подключенного к управляющему входу коммутирующего элемента, датчика температуры, подключенного к пороговому элементу, нелинейного элемента, датчика тока, подключенного через замыкающий контакт коммутирующего элемента к первому входу регулятора снижения динамических нагрузок, содержащего два интегратора, два усилителя, два инвертирующих усилителя и суммирующий элемент, причем в обратной связи первого интегратора включен третий инвертирующий усилитель, а четвертый инвертирующий усилитель подключен к выходу первого интегратора, первый вход которого является первым входом регулятора снижения динамических нагрузок, а выход регулятора снижения динамических нагрузок подключен к первому входу первого сумматора и к выходу первого усилителя, вход которого соединен с выходом первого интегратора, дополнительно введены датчик усилия в упругом элементе и система подчиненного регулирования питающего напряжения электропривода, выполненная в виде последовательно соединенных регулятора питающего напряжения с подключенным к нему датчиком питающего напряжения, регулятора возбуждения с подключенным к нему датчиком напряжения возбуждения, суммирующий магнитный усилитель и генератор, соединенный с электродвигателем, коммутирующий элемент, выполненный с дополнительными тремя размыкающими и четырьмя замыкающими контактами, а регулятор снижения динамических нагрузок снабжен третьим интегратором, вторым и третьим суммирующими элементами, одним усилителем и четырьмя инвертирующими усилителями. Причем выход второго суммирующего элемента является вторым выходом регулятора и подключен ко второму входу первого сумматора, а ко входам второго суммирующего элемента подключены выход первого и второго инвертирующих усилителей, ко входу первого инвертирующего усилителя, являющегося вторым входом регулятора и ко входу второго инвертирующего усилителя, являющегося третьим входом регулятора, подключены через размыкающие контакты коммутирующего элемента выходы датчиков тока и скорости, к первому входу третьего интегратора, являющегося четвертым входом регулятора снижения динамических нагрузок, подключен через замыкающий контакт коммутирующего элемента выход датчика усилия в упругом элементе, причем выход последнего подключен также к датчику нагрузки, а ко второму входу третьего интегратора подключен через пятый инвертирующий усилитель выход второго интегратора, третий вход третьего интегратора соединен через шестой инвертирующий усилитель со своим выходом, который через четвертый усилитель подключен ко второму входу второго интегратора, а через второй усилитель - к третьему входу первого интегратора, выход второго интегратора через третий усилитель подключен к четвертому входу первого интегратора, выход которого подключен ко входу первого усилителя, выход которого является первым выходом регулятора снижения динамических нагрузок и подключен к первому входу первого сумматора, при этом выходы датчика тока и порогового элемента подключены ко входам нелинейного элемента, а датчик скорости через размыкающий контакт коммутирующего элемента соединен с пятым входом регулятора снижения динамических нагрузок, который соединен с входом третьего сумматора, выход которого соединен с третьим входом второго интегратора. Командоаппарат подключается через размыкающий и замыкающий контакты коммутирующего элемента соответственно ко входам первого и третьего сумматоров.
Предлагаемая полезная модель характеризуется во-первых, оптимизацией управляющего воздействия путем минимизации квадратичных отклонений скорости двигателя от установившегося значения при минимуме расхода энергии управления, во-вторых, оптимизацией возмущающего воздействия путем минимизации квадратичных отклонений тока якорной цепи и усилия в упругом элементе от их установившихся значений при минимуме расхода энергии управления, в-третьих, переключением с одного закона управления при превышении усилия в упругом элементе порогового значения на другой закон управления и, в-четвертых, последовательной коррекцией контуров напряжения и питающего напряжения с компенсацией постоянных времени магнитного усилителя и генератора. Каждый из указанных признаков, отличающих предлагаемое решение от прототипа известен, но ни один из них, введенный в прототип в отдельности не обеспечит у объекта свойства, выраженного в постановке задачи. Таким образом, у заявляемого решения появляется свойство, не совпадающее со свойствами известных решений и не равное сумме этих свойств, только при наличии всей совокупности отличительных от прототипа признаков. Однако решения, содержащие эту совокупность отличительных признаков и проявляющие при этом те же свойства, что и предлагаемое решение, нам не известны.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где представлена схема системы управления электроприводом копающих механизмов экскаватора. Устройство содержит командоаппарат 1, сумматор 2, систему подчиненного регулирования питающего напряжения 3, состоящую из последовательно соединенных регуляторов питающего напряжения 4, напряжения возбуждения 5, суммирующего магнитного усилителя 6 и генератора 7. Выход сумматора 2 подключен к регулятору питающего напряжения 4. Датчики питающего напряжения 8 и напряжения возбуждения 9 подключены ко вторым входам соответственно регуляторов питающего напряжения 4 и напряжения возбуждения 5. Генератор 7 подключен к двигателю 10, приводящему через упругий элемент 11 в движение ковш 12. Устройство содержит датчики тока 13, скорости 14 и усилия в упругом элементе 15 и регулятор снижения динамических нагрузок 16. Датчик усилия в упругом элементе подключен последовательно к датчику нагрузки 17 и коммутирующему ключу 18. Датчик тока 13 через замыкающий контакт коммутирующего элемента соединен с первым входом регулятора 16, а через размыкающий контакт коммутирующего элемента со вторым входом регулятора 16, который является входом первого инвертирующего усилителя 22. Регулятор снижения динамических нагрузок 16 состоит из трех интеграторов 19-21, шести инвертирующих усилителей 22-27, четырех усилителей 28-31 и суммирующего элемента 32. В обратной связи первого интегратора 19 включен инвертирующий усилитель 24, а выход интегратора 19 соединен с первым усилителем 28, выход которого соединен с первым выходом регулятора 16. Первый вход регулятора снижения динамических нагрузок 16 через замыкающий контакт коммутирующего ключа 18 соединен с датчиком тока 13, а также с первым входом первого интегратора 19. Второй и третий входы регулятора 16 через размыкающие контакты коммутирующего ключа 18 соединены с датчиками тока и скорости, а также с входами первого 22 и второго 23 инвертирующих усилителей, а выходы первого инвертирующего усилителя 22 и второго инвертирующего усилителя 23 соединены с входами второго суммирующего элемента 32, выход которого соединен со вторым выходом регулятора 16. Четвертый вход регулятора снижения динамических нагрузок 16 через замыкающий контакт коммутирующего ключа 18 соединен с датчиком усилия в упругом элементе, а также с первым входом третьего интегратора 21, в обратной связи которого включен шестой инвертирующий усилитель 27, а третий вход через пятый инвертирующий усилитель 26 соединен с выходом второго интегратора 20. Выход третьего интегратора через четвертый усилитель 31 соединен с входом второго интегратора 20, второй вход которого через четвертый инвертирующий усилитель 25 соединен с выходом первого интегратора 19. Выход второго интегратора через третий усилитель 30 соединен с четвертым входом первого генератора 19, третий вход которого через второй усилитель 29 соединен с выходом третьего интегратора. Первый и второй выходы регулятора снижения динамических нагрузок 16 соединены соответственно с первым и вторым входами первого сумматора 2. Датчик скорости 14 через замыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с пятым входом регулятора 16, который соединен с входом третьего сумматора 36, выход которого соединен с входом второго интегратора 20. Устройство содержит также последовательно соединенные датчик температуры (перегрева) 33, пороговый элемент 34 и нелинейный элемент типа отсечки 35, второй вход которого соединен с датчиком тока 13, а выход - с третьим входом первого сумматора 2. Командоаппарат 1 через размыкающий и замыкающий контакты коммутирующего ключа 18 соединен с первым сумматором 2 и третьим сумматором 36.
Устройство работает следующим образом.
В том случае, если значение нагрузки (усилие в упругом элементе) не превышает заданное, определяемое датчиком нагрузки 17, коммутирующий ключ 18 разомкнут, с командоаппарата 1 сигнал поступает на первый сумматор 2, на второй и третий входы регулятора 16 поступают сигналы обратной связи по току с датчика тока 13 и скорости с датчика скорости 14, через замкнутые размыкающие контакты коммутирующего ключа 18 соответственно на первый инвертирующий усилитель 22 и второй инвертирующий усилитель 23 и усиливаются соответственно в число раз, определяемое коэффициентами оптимальных обратных связей по току и скорости двигателя.
В случае, если усилие в упругих элементах превышает заданное (в режиме копания), срабатывает коммутирующий ключ 18, размыкаются размыкающие контакты коммутирующего ключа 18 и размыкаются оптимальные обратные связи по току якорной цепи и скорости двигателя. Замыкаются замыкающие контакты коммутирующего ключа 18, с командоаппарата 1 сигнал поступает на третий сумматор 36 и подключаются сигналы обратных связей по току якорной цепи и усилию в упругом элементе к аналитически конструируемому оптимальному регулятору или регулятору снижения динамических нагрузок 16, вырабатывающему оптимальное управляющее воздействие по току якорной цепи и усилию в упругих элементах и построенному на трех интеграторах 19-21, инвертирующих усилителях 24-27 и усилителях 28-31. Интеграторы 19 и 21 являются форсирующими благодаря наличию в обратных связях соответственно инвертирующих усилителей 24 и 27. На выходе первого интегратора 19 формируется сигнал первой внутренней координаты, на выходе второго интегратора 20 формируется сигнал второй внутренней координаты и на выходе третьего интегратора - сигнал третьей внутренней координаты. Первая, вторая и третья внутренние координаты - ток якорной цепи, скорость двигателя и момент упругий соответственно. Сигнал первой внутренней координаты получают в результате форсированного интегрирования в интеграторе 19 сигналов тока якорной цепи, поступающего с датчика тока 13 на первый вход регулятора 16 через замыкающий контакт коммутирующего ключа 18 на первый вход интегратора 19, второй внутренней координаты, усиленной в усилителе 30, и третьей внутренней координаты, усиленной в усилителе 29. Сигнал второй внутренней координаты получают в результате интегрирования сигналов ошибки заданного и текущего значения скорости двигателя с сумматора 36, первой внутренней координаты, усиленной в инвертирующем усилителе 25, и третьей внутренней координаты, усиленной в усилителе 31. Сигнал третьей внутренней координаты получают в результате форсированного интегрирования сигнала обратной связи по усилию в упругом элементе, который поступает на четвертый вход регулятора 16 через замыкающий контакт коммутирующего ключа 18 на первый вход интегратора 21, а также сигнала второй внутренней координаты с интегратора 20, усиленного в инвертирующем усилителе 26 и сигнала третьей внутренней координаты с интегратора 21 усиленного в инвертирующем усилителе 27. Усиленный сигнал первой внутренней координаты поступает на выход регулятора 16, а затем, полученный таким образом оптимальный сигнал по току якорной цепи, ошибке по скорости и усилию в упругом элементе, поступает в сумматор 2.
В том случае, если температура двигателя превышает заданное значение, определяемое пороговым элементом 34, на нелинейном элементе типа отсечки 35 происходит сложение сигналов с выхода порогового элемента 34 и датчика тока 13. Если сумма превышает значение, определяемое нелинейным элементом 35, то сигнал поступает на сумматор 2 и происходит снижение тока. Кроме этого, нелинейный элемент типа отсечки 35 формирует необходимый вид экскаваторной характеристики.
Как при управляющем, так и при возмущающем воздействиях действует двухконтурная система подчиненного регулирования питающего напряжения.
Преимущества предлагаемого устройства особенно сказываются на приводах копающих механизмов. Во-первых, в режиме жесткого стопорения ковша обеспечивается эффективное снижение коэффициента динамичности механизмов, уменьшаются динамические броски на 15-20%, что приводит к увеличению надежности, а, следовательно, и эксплуатационной производительности экскаватора. Во-вторых, отсутствие при управляющем воздействии сигнала по усилию в упругих элементах и невысокому коэффициенту обратной связи по току приводит к более полному заполнению время-токовой диаграммы, а следовательно, к увеличению быстродействия и производительности. В-третьих, применение двухконтурной системы подчиненного регулирования питающего напряжения позволяет уменьшить время нарастания питающего напряжения, т.е. увеличить быстродействие и производительность на 3-5%.
1. Устройство комбинированного управления электроприводом копающих механизмов экскаватора, состоящее из последовательно соединенных командоаппарата и сумматора, электродвигателя, датчика скорости электродвигателя, датчика нагрузки, подключенного к управляющему входу коммутирующего элемента, датчика температуры, подключенного к пороговому элементу, нелинейного элемента, датчика тока, подключенного через замыкающий контакт коммутирующего элемента к первому входу регулятора снижения динамических нагрузок, содержащего два интегратора, два усилителя, два инвертирующих усилителя и суммирующий элемент, причем в обратной связи первого интегратора включен третий инвертирующий усилитель, а четвертый инвертирующий усилитель подключен к выходу первого интегратора, первый вход которого является первым входом регулятора снижения динамических нагрузок, а выход регулятора сниженная динамических нагрузок подключен к первому входу первого сумматора и к выходу первого усилителя, вход которого соединен с выходом первого интегратора, вход которого соединен с выходом второго интегратора через третий усилитель, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено датчиком усилия в упругом элементе и системой подчиненного регулирования питающего напряжения электропривода, выполненной в виде последовательно соединенных регулятора питающего напряжения с подключенным к нему датчиком питающего напряжения, регулятора напряжения возбуждения с подключенным к нему датчиком напряжения возбуждения, суммирующего магнитного усилителя и генератора, соединенного с электродвигателем, коммутирующий элемент, выполненный с дополнительными тремя размыкающими и четырьмя замыкающими контактами, а регулятор снижения динамических нагрузок снабжен третьим интегратором, вторым и третьим суммирующими элементами, одним усилителем и четырьмя инвертирующими усилителями, причем выход второго суммирующего элемента регулятора снижения динамических нагрузок является вторым его выходом и подключен ко второму входу первого сумматора, а ко входам второго суммирующего элемента подключены выходы первого и второго инвертирующих усилителей, ко входу первого инвертирующего усилителя, являющегося вторым входом регулятора снижения динамических нагрузок, и ко входу второго инвертирующего усилителя, являющегося третьим входом регулятора снижения динамических нагрузок, подключены через размыкающие контакты коммутирующего ключа выходы датчиков тока и скорости, к первому входу третьего интегратора, являющегося четвертым входом регулятора снижения динамических нагрузок, подключен через замыкающий контакт коммутирующего элемента выход датчика усилия в упругом элементе, причем выход последнего подключен также к датчику нагрузки, а ко второму входу третьего интегратора подключен через пятый инвертирующий усилитель выход второго интегратора, третий вход третьего интегратора соединен через шестой инвертирующий усилитель со своим выходом, который через четвертый усилитель подключен ко второму входу второго интегратора, а через второй усилитель - к третьему входу первого интегратора, выход второго интегратора через третий усилитель подключен к четвертому входу первого интегратора, выход которого подключен ко входу первого усилителя, выход которого является первым выходом регулятора снижения динамических нагрузок и подключен к первому входу первого сумматора, при этом выходы датчика тока и порогового элемента подключены ко входам нелинейного элемента, выход которого соединен со входом первого сумматора, а датчик скорости через размыкающий контакт коммутирующего элемента соединен с пятым входом регулятора снижения динамических нагрузок, который соединен с входом третьего сумматора, выход которого соединен с третьим входом второго интегратора, командоаппарат при этом подключается через размыкающий и замыкающий контакты коммутирующего элемента соответственно ко входам первого и третьего сумматоров.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй и первый инвертирующие усилители выполнены с коэффициентами усиления, равными соответственно коэффициентам оптимальных обратных связей по скорости и току якорной цепи, а второй и первый интеграторы являются соответственно регуляторами скорости и тока, и со своими связями составляют контура регулирования скорости и тока, а в совокупности с контурами питающего напряжения составляют четырехконтурную систему подчиненного регулирования напряжения возбуждения, питающего напряжения, тока и скорости двигателя.
