Экскаватор ЭКГ-4у с оборудованием прямой механической лопаты имеет двухбалочную рукоять и реечный напор. Экскаватор предназначен для разработки пород 4 категории.
- Вместимость ковша…………………………………………. Ел =4м3;
- Скорость передвижения механизма подъема………………Vпл = 1 м/с;
- Скорость передвижения механизма напора………………...Vнл = 0,55м/с;
- Расчетная частота вращения поворотной платформы……...nвл = 2,5об/мин;
- Продолжительность цикла………………………………….. tцл = 27с;
- Угол наклона стрелы …………………………………………аст = 450;
- КПД…………………………………………………………...η = 0,08.
3.1 Расчет мощности двигателя привода механизма поворота
экскаватора ЭКГ – 4у
Определяем основные размеры, массы и веса экскаватора и рабочего оборудования по данным [6].
Масса экскаватора определяется по формуле.
mэкс = kэкс × Е = 50 × 4 = 200 т.
где: kэкс – коэффициент удельной массы экскаватора.
kэкс = 38 – 55 т/м. Принимаем kэкс = 50т/м.
Е – вместимость ковша = 4м3.
Е = Ел. Линейные размеры ковша.
Массу и вес ковша вычисляют используя формулы.
mкл = 1,15 × Скл × Ел = 1,15 × 1,55 × 4,6 = 8,199 =8,2 т,
где: Скл – коэффициент массы. Принимаем Скл = 1,55.
Gк = mкл × 9,81×103 = 8,199 × 9,81×103 = 8,044×104 Н.
По величине массы экскаватора и приведенным линейным коэффициентам KL находят линейные размеры отдельных конструктивных элементов по следующей формуле.
L = KL × 3√ mэкс = KL × 3√200 = KL × 6,127.
Размеры стрелы и рукояти экскаватора.
Lc = 6,127 × KL = 6,127 × 1,8 = 11 м,
где: KL – линейный коэффициент для расчета длины стрелы
KL = 1,8 – 1,85. Принимаем KL = 1,8.
Lр = 6,127 × KL = 6,127 × 1,25 = 7,658 м,
где: KL – линейный коэффициент для расчета длины рукояти
KL = 1,15 – 1,25. Принимаем KL = 1,25.
Масса и вес двухбалочной рукояти.
mр = ср × mкл = 0,9 × 8,2 = 7,38 т,
где: ср – коэффициент для расчета размеров рукояти
ср =0,8 – 1,0. Принимаем ср = 0,9.
Gр = mр × 9,81 × 10 = 7,38 × 9,81 × 103 = 7,24 × 104 Н.
Высота напорного вала определяется по формуле.
Lн = 6,127 × KLH = 6,127 × 1,1 = 6,74 м,
где: KLH – линейный коэффициент для расчета высоты напорного вала
KLH = 1,1.
Высота пяты стрелы.
Lп = 6,127 × Kпс = 6,127 × 0,45 = 2,76 м,
где: Kпс – линейный коэффициент для расчета высоты пяты стрелы
Kпс = 0,45.
Максимальная высота копания экскаватора.
Lкоп = 6,127 × KLКОП = 6,127 × 1,8 = 11 м,
где: KLКОП – линейный коэффициент для расчета высоты копания
KLКОП = 1,7- 1,8. Принимаем KLКОП = 1,8.
По полученным данным строим расчетную схему рабочих положений
экскаватора и определяем усилие и мощность двигателя механизма подъема в отдельные периоды работы экскаватора в течение одного цикла рисунок 3.1.
Сопротивление породы копанию определяем по формуле.
где: kкл = 2,5 - коэффициенты удельного сопротивления породы копанию
kр = 1,35, Lз = Lн = 6,74м.
Рисунок 3.1 - Расчетная схема расположения ковша и рукояти экскаватора ЭКГ-4у в период:
а – копания, б – поворота груженого ковша на разгрузку, в – поворот порожнего ковша в забой
Вес ковша с породой и вес рукояти.
где: 
- плотность породы.
Сила тяжести рукояти, создающая момент сопротивления при копании.
Усилие при копании определяется по формуле.
где: 
- линейные размеры, которые определены по рис. 3.1.а.
Мощность при копании равна.
Усилие при повороте груженого ковша на разгрузку определяется.
где: 
- определены по рис. 2.1.б.
Мощность экскаватора при повороте на разгрузку.
Усилие при повороте порожнего ковша в забой по формуле.
где: - определены по рис 3.1.в.
Мощность с порожним ковшом экскаватора находим по формуле.
Для вычисления моментов инерции вращающихся частей экскаватора определим ширину платформы, радиус задней стенки, радиус пяты стрелы, максимальный радиус разгрузки по формуле.
L = KL × 3√ mэкс = KL × 3√200 = KL × 6,127.
Ширина платформы.
L пл’= КLПЛ × 5,91 = 0,95 × 6,127 =5,82 м,
где: КLПЛ - линейный коэффициент ширины платформы.
КLПЛ = 0,85 - 0,95. Принимаем КLПЛ =0,95.
Радиус задней стенки экскаватора.
Lзс = Kзс × 6,127 = 0,95 × 6,127 = 5,82 м,
где: Kзс - линейный коэффициент задней стенки.
Kзс = 0,95-1,0. Принимаем Kзс = 0,95.
Радиус пяты стрелы экскаватора.
L пс = Kпс × 6,127 = 0,4 × 6,127 = 2,45 м,
где: Kпс - линейный коэффициент пяты стрелы.
Kпс = 0,4-0,37. Принимаем Kпс = 0,4.
Максимальный радиус разгрузки.
L раз = Kраз × 6,127 = 2,5 × 6,127 = 15 м,
где: Kраз - линейный коэффициент максимального радиуса разгрузки.
Kраз = 2,4-2,5. Принимаем Kраз = 2,5.
Длина платформы экскаватора находится по формуле.
Lпл = Lзс + Lпс = 5,82 + 2,45 = 8,27 м.
Масса платформы.
Мпл = Кт.пл. Мэкс = 0,5 × 230 = 115 т,
где: Кт.пл. - линейный коэффициент для определения массы платформы.
Принимаем Кт.пл. = 0,5.
Масса стрелы с блоками.
Мст = Кт.ст. Мэкс = 0,06 × 230 = 13,8т,
где: Кт.ст. - линейный коэффициент для определения массы стрелы с блоками.
Принимаем Кт.ст.= 0,06.
Масса напорного механизма.
Мн = Кн. Мэкс = 0,028 × 230 = 6,44 т,
где: Кн. - линейный коэффициент для определения напорного механизма.
Принимаем Кн= 0,028.
Масса ковша с породой определяется по формуле.
т.
Момент инерции поворотной платформы относительно оси ее вращения определяем.
,
где:
Момент инерции напорного механизма.
где: 
Моменты инерции ковша с породой и без породы относительно оси вращения платформы определяем по формуле.
Момент инерции стрелы с блоками относительно оси вращения платформы.
Момент инерции рукояти относительно оси платформы по формуле.
Находим суммарные моменты инерции вращающихся частей экскаватора при повороте с груженым и порожним ковшом.
По полученным данным строим нагрузочную диаграмму механизма поворота (вращения) экскаватора, рисунок 3.2.
Рисунок 3.2 - Нагрузочная диаграмма механизма вращения
Средневзвешенная мощность двигателей поворотного механизма при вращении с груженым и порожним ковшом находится по формуле.
где: tв.р. = t цл / 3 = 27 / 3 = 9 с;
По полученной средневзвешенной мощности выбираем двигатель постоянного тока типа ДЭВ-812 со следующими техническими данными:
- Номинальная мощность…………………………………….Рном = 100 кВт;
- Номинальная частота вращения…………………………… п =750 об/мин;
- Номинальное напряжение…………………………………..U = 305 B;
- Номинальный ток……………………………………………I = 360 A;
- Момен инерции………..…………………………………….Jя = 8,25 
;
- Масса двигателя....................................................................... т = 2050 кг;
- Продолжительность включения……………………………ПВ = 80 %;
- К.П.Д…………………………………………………………η = 93,4 %;
- Число пар полюов……………………………………………р = 4;
- Число активных проводников якоря……………………….N = 2;
- Число параллельных ветвей обмотки якоря……………….а = 210;
- Сопротивление обмотки якоря……………………………..Rя = 0,0140 Ом.
Для экскаваторов с ковшом вместимостью до 
число двигателей поворотного механизма выбирают равное единице: 
.
Находим номинальную мощность двигателя ДЭВ-812.
Общее передаточное число поворотного механизма.
Суммарный момент инерции платформы с груженым ковшом, приведенным к валу двигателя.
где: 
- число двигателей в приводе.
Суммарный момент инерции платформы с порожним ковшом, приведенным к валу двигателя.
Принимаем моменты двигателя для поворотного механизма:
Стопорный момент: 
Момент отсечки: 
Динамический момент при разгоне двигателя с груженым и порожним ковшом находим по формуле.
где: 
- момент сопротивления платформы,
преодолеваемый двигателем при работе с установившейся скоростью.
Среднее значение момента, развиваемого двигателем при разгоне с груженым и порожним ковшом.
Время разгона двигателя до установившейся скорости с груженым ковшом.
где: 
Угол, на который платформа повернется при разгоне двигателя с груженым ковшом.
где: 
.
Находим тормозной момент двигателя с груженым и порожним ковшом.
Время торможения платформы с груженым ковшом.
Средний момент, развиваемый двигателем при торможении с груженым и порожним ковшом равен.
Угол, на который платформа повернется при торможении с груженым ковшом определяется.
где: 
Принимая за расчетный угол поворота платформы на разгрузку 
, найдем угол на который платформа повернется с установившейся скоростью, и время поворота на этот угол.
Время разгона двигателя до установившейся скорости с порожним ковшом.
Угол, на который платформа повернется при разгоне двигателя с порожним ковшом.
где: 
.
Время торможения двигателя с порожним ковшом определим по формуле.
Угол, на который платформа повернется при торможении с порожним ковшом.
где: 
Угол поворота платформы с установившейся скоростью равен.
По полученным данным строим нагрузочные и скоростные диаграммы поворотного механизма экскаватора ЭКГ-4у, рисунок 3.3.
Рисунок 3.3 - Нагрузочные и скоростные диаграммы поворотного механизма экскаватора ЭКГ-4у
Эквивалентный момент двигателя определяем по формуле.
Коэффициент продолжительности включения двигателя.
где: tраб = 
Согласно условию: 
Определяем эффективную мощность двигателя по формуле.
Согласно условию: 
Расчеты показали, что выбранный двигатель ДЭВ–812 удовлетворяет требованиям поворотного механизма.
Однако двигатель постоянного тока обладает существенными недостатками:
трудоемкость обслуживания, ненадежный щеточный аппарат, необходимость электромеханического преобразования электроэнергии.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором благодаря своей простоте, дешевизне, малым габаритным размерам широко используется в нерегулируемом приводе различных машин, применяемых в промышленности. Но общеизвестные недостатки этого типа двигателя (отсутствие возможности регулирования частоты вращения, значительные пусковые токи, малая кратность пускового момента, потеря энергии скольжения и низкий коэффициент мощности при пусках и параметрических способах регулирования, отсутствие плавности нарастания пускового момента двигателя и ряд других) не позволяют эффективно их использовать и резко ограничивают область их применения.
Устранение вышеперечисленных недостатков асинхронного двигателя может быть достигнуто за счет применения частотного управления. Для регулирования частоты напряжения, подводимого к электродвигателю, необходимо наличие преобразователя частоты.
Большое применение получили полупроводниковые преобразователи частоты, используемые в электроприводах переменного тока.
Полупроводниковые преобразователи частоты делятся на две основные группы:
- с непосредственной связью (НПЧ);
- преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока (ПЧИ).
НПЧ имеют меньшие габаритные размеры и массу, более надёжны в работе, ввиду отсутствия коммутирующих емкостей. ПЧИ обеспечивают полный диапазон регулирования частоты напряжения и плавное повышение частоты до 80-90 Гц. А так же способны оптимально использовать двигатель с точки зрения его тепловых характеристик. ПЧИ применяются в электроприводах, к которым предъявляют высокие требования в отношении производительности, качества регулирования и других параметров.
Основываясь данными проведенных расчетов по выбору мощности двигателя ДЭВ-812 с Рном = 100кВт, принимаем для привода поворота механизма экскаватора асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4А,[7] тип 4А315M8УЗ, ближайший по величине Рном и имеющий следующие технические данные:
- номинальное напряжение питающей сети………………..Uн = 380В;
- частота питающей сети…………………………………….fc = 50 Гц;
- номинальная мощность двигателя………………………...Рном =110 кВт;
- синхронная частота вращения…………………………….nо= 750 об/мин;
- номинальная частота вращения…………………………... nн= 738 об/мин;
- номинальное скольжение…………………………………..Sном = 0,015;
- коэффициент мощности…………………………………… 
= 0,85;
- коэффициент полезного действия………………………….h = 93 %.
3.2 Расчет механических характеристик асинхронного двигателя с
короткозамкнутым ротором при управлении от преобразователя
частоты с инвертором тока.
При частотном управлении в соответствии с общепринятыми допущениями, которые обуславливают постоянство сопротивлений схемы замещения при данной частоте, принята Т – образная схема замещения, приведенная на рисунке 3.4.
r1 - активное сопротивление обмотки фазы статора, r′2 - приведенное активное
сопротивление фазы ротора, x1 – индуктивное сопротивление обмотки фазы статора,
Uн - номинальное фазное напряжение, I1 - фазный ток статора, I′2-приведенный
фазный ток ротора, E1 - ЭДС статора, E′2 - приведенная ЭДС ротора, I0 – ток
холостого хода, x0 - индуктивное сопротивление намагничивающей цепи, x2 -
индуктивное сопротивление фазы ротора, α - относительная частота тока статора,
β - параметр абсолютного скольжения или относительная частота тока ротора,
γ - относительное напряжение.
Параметры схемы замещения по данным [7].
- приведенное активное сопротивление цепи статора…………….R1 = 0,023;
- приведенное активное сопротивление цепи ротора……………..R’2 = 0,019;
- приведенное индуктивное сопротивление цепи статора………..X1 = 0,10;
- приведенное индуктивное сопротивление цепи ротора…………X’2 = 0,12;
Значения параметров схемы замещения приведены в относительных единицах. Для перевода их в именованные применяются формулы (ст63 [7]).
, 
,
где: X, R – сопротивления в относительных единицах;
Х, R, - сопротивления в Ом;
I1НОМ.Ф – номинальный фазный ток статора;
I1НОМ.Ф = P2НОМ/3×U1Ф×η×cosφ = 110/3×220×0,93×0,85 = 211 А,
U1Ф – номинальное фазное напряжение.
Ом,
Ом,
Ом,
Ом,
Ом.
Номинальная угловая скорость двигателя.
ωО = 2Пf/4 = 2×3,14×50/64 = 78,5 рад/с.
ωНОМ = 2Пn/60 = 2×3,14×738/60 = 77,2 рад/с.
Номинальный момент двигателя.
Мном = Рном/ ωНОМ = 110×103/77,2 = 1424,87 Н×м
Номинальный приведенный ток ротора.
Рассчитываем намагничивающий ток.
где: 
Индуктивное сопротивление намагничивающей цепи.
x0 = xμ+x1 = 2,5023 + 0,1043 = 2,6073.
Номинальное значение параметра абсолютного скольжения.
Так как параметр абсолютного скольжения при номинальном режиме работы, не может быть больше единицы, то принимаем βн=0,015, что соответствует номинальному скольжению двигателя (Sн = 0,015).
Расчет статических характеристик асинхронного двигателя в системе частотного управления при Ф=const производим используя следующие формулы:
Расчет механических характеристик проводится в относительных единицах при α=1 и сводится в таблицу 3.1 где угловая частота вращения вала двигателя определяется для различных частот тока по формуле ω* = α – β.
Таблица 3.1 - Расчет механических характеристик асинхронного двигателя при
частотном управлении.
| β | B(β) | ω,с-1 | ω* | M*(β) | ω*α=1 | ω*α=0,8 | ω*α=0,6 | ω*α=0,4 | ω*α=0,2 |
| 0,000392 | 78,5 | 1,016 | 0,8 | 0,6 | 0,4 | 0,2 | |||
| 0,001 | 0.0004076 | 78,421 | 1,015 | 0,156 | 0,999 | 0,799 | 0,599 | 0,399 | 0,199 |
| 0,005 | 0.0004702 | 78,108 | 1,011 | 0,522 | 0,995 | 0,795 | 0,595 | 0,395 | 0,195 |
| 0,015 | 0.0006267 | 77,2 | 0,985 | 0,785 | 0,585 | 0,385 | 0,185 | ||
| 0,03 | 0.0008615 | 76,145 | 0,986 | 1,864 | 0,97 | 0,77 | 0,57 | 0,37 | 0,17 |
| 0,05 | 0.0011745 | 74,575 | 0,966 | 2,882 | 0,95 | 0,75 | 0,55 | 0,35 | 0,15 |
| 0,07 | 0.0014875 | 73,005 | 0,946 | 3,151 | 0,93 | 0,73 | 0,53 | 0,33 | 0,13 |
| 0,1 | 0.0019570 | 70,65 | 0,915 | 3,035 | 0,9 | 0,7 | 0,5 | 0,3 | 0,1 |
| 0,2 | 0.0035220 | 62,8 | 0,813 | 2,671 | 0,8 | 0,6 | 0,4 | 0,2 | |
| 0,3 | 0.0050870 | 54,95 | 0,711 | 2,404 | 0,7 | 0,5 | 0,3 | 0,1 | |
| 0,4 | 0.0066520 | 47,1 | 0,610 | 2,251 | 0,6 | 0,4 | 0,2 | ||
| 0,5 | 0.0082170 | 39,25 | 0,508 | 2,111 | 0,5 | 0,3 | 0,1 | ||
| 0,6 | 0.0097820 | 31,4 | 0,406 | 1,985 | 0,4 | 0,2 | |||
| 0,7 | 0.0113470 | 23,55 | 0,305 | 1,823 | 0,3 | 0,1 | |||
| 0,8 | 0.0129120 | 15,7 | 0,203 | 1,751 | 0,2 | ||||
| 0,9 | 0.0144770 | 7,85 | 0,101 | 1,609 | 0,1 | ||||
| 0.0160420 | 1,549 |
Рисунок 3.5 - Механические характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при частотном управлении и механизма поворота экскаватора
Рисунок 3.6 – Зависимость w* = f(f*) при частотном управлении
Применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода обеспечивает:
- Плавность регулирования и высокую жесткость механических характеристик, что позволяет регулировать скорость в широком диапазоне;
- Экономичность регулирования, определяемую тем, что двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных.
3.3 Выбор преобразователя частоты для электропривода механизма
поворота экскаватора ЭКГ-4у
Для данного двигателя принимаем преобразователь частоты серии «Универсал-110».
Преобразователь частоты «Универсал-110» предназначен для регулирования скорости вращения различных механизмов использующих в качестве привода асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Преимущества его применения заключаются в следующем.
- Увеличение производительности механизма за счет оптимизации режимов работы привода и обслуживаемого им технологического процесса при регулировании скорости исполнительного механизма в широком диапазоне.
- Увеличение ресурса работы электрического и механического оборудования за счет ограничения пусковых токов асинхронного двигателя при «мягком» пуске от преобразователя частоты, исключения механических ударов в передачах, а также автоматической блокировки двигательной работы привода в зонах возможного механического резонанса.
- Поддерживание с заданной точностью скорости исполнительного двигателя или подчиненного параметра технологического процесса.
- Энергосбережение и ресурсосбережение.
- Обеспечение программного управления скоростью или регулируемой технологической переменной по минутным, часовым, суточным циклам в реальном времени.
- Косвенное изменение ряда параметров привода без использования дополнительной дорогостоящей измерительной аппаратуры.
Технические характеристики преобразователя частоты «Универсал-110» приведены в таблице 3.2.
Блок – схема устройства преобразователя частоты «Универсал-110» показана на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 - Блок-схема устройства преобразователь частоты «Универсал-110»
Таблица 3.2 - Технические характеристики преобразователя частоты
«Универсал-110»
| Наименование параметра | Характеристика параметра | Значение параметра |
| Выход | Число фаз | |
| Номинальное напряжение, В | ||
| Номинальная частота, Гц | ||
| Диапазон регулирования напряжения, В | 0 – напряжения питающей сети | |
| Дискретность регулирования напряжения, % | 0,5 от 380В | |
| Диапазон регулирования частоты, Гц | 2 - 512 | |
| Дискретность регулирования частоты, Гц | 0,015 | |
| Дискретность ввода частоты с пульта оператора, Гц | 0,02 |
Продолжение таблицы 3.2
| Диапазон регулирования скорости в разомкнутой системе | 1:10 | |
| Диапазон регулирования скорости в замкнутой системе | 1:30 | |
| Принцип управления | U/f – закон управления | |
| Способ модуляции | синусоидальная центрированная ШИМ | |
| Тактовая частота ШИМ, кГц | 4,8 (или 9,6) | |
| Вход | Число фаз | |
| Напряжения питающей сети, В | ||
| Частота питающей сети, Гц | 50/60 | |
| Рабочие функции | Задание частоты или технологической переменной | числовое задание: 0-5В; 0-10В; ±5В; ±10В; 0-5мА; 4-20мА; потенциометр (10 кОм) |
| Уставки задания частоты или технологической переменной | 8 постоянных настраиваемых уставок, активация их через дискретные входы | |
| Команды пуск/стоп | подача команд с пульта; подача команд через дискретные входы | |
| Пускотормозная характеристика | линейная/S-образная; выбор 1 или 2 уровней интенсивностей на разгоне и на торможении | |
| Автоматический повторный пуск при обнаружении аварии или ошибки | для некоторых видов аварийных ситуаций | |
| Регулятор технологической переменной | ПИД-регулятор; настраивается каждая составляющая; прием сигналов отрицательной и положительной (по возмущению) обратных связей | |
| Защитные функции | Защиты преобразователя и двигателя | - защита от короткого замыкания на корпус; - максимально-токовая защита; - защита от обрыва фаз, перекоса фаз; - защита от понижения или повышения напряжения в звене постоянного тока; - защита от неправильной работы входного тиристорного выпрямителя; - тепловая защита; - защита от потери питания контроллером |
| Режимы коррекции | - коррекция выходного напряжения в зависимости от напряжения питающей сети; - коррекция интенсивности (при разгоне) и рабочей частоты (в установившемся режиме) при повышении IД; - коррекция интенсивности торможения при повышении напряжения на звене постоянного тока (UД) |