Page 1

Маренич К.Н., Товстик Ю.В., Турупалов В.В., Василец С.В., Лизан И.Я.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАШИН И УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ Учебное пособие для студентов высших учебных заведений


ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

К.Н. Маренич, Ю.В. Товстик, В.В. Турупалов, С.В. Василец, И.Я. Лизан

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАШИН И УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ

Рекомендовано Учёным советом Донецкого национального технического университета в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Издание приурочено к 95-летию Донецкого национального технического университета

Донецк ООО «Технопарк ДонГТУ «УНИТЕХ» 2015


УДК 622.28 (075.8) ББК 34.7 А 22 Рекомендовано Учёным советом ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет" (г. Донецк) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, протокол №9 от 21.11.2014 г. Авторы (сведения по состоянию на 2012 г.): Маренич Константин Николаевич, заведующий кафедрой «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» ДонНТУ, кандидат технических наук, доцент; Товстик Юрий Васильевич, заведующий лабораторией отдела электрооборудования Государственного Макеевского НИИ по безопасности работ в горной промышленности (г. Макеевка), доцент кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» ДонНТУ, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент; Турупалов Виктор Владимирович, декан факультета компьютерных информационных технологий и автоматики ДонНТУ, профессор кафедры «Автоматика и телекоммуникации» ДонНТУ, кандидат технических наук, доцент; Василец Святослав Владимирович, доцент кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» ДонНТУ, кандидат технических наук; Лизан Игорь Ярославович, доцент кафедры «Электромеханические системы» учебнонаучного профессионально-педагогического института (г. Артёмовск) Украинской инженерно-педагогической академии (г. Харьков), кандидат технических наук, доцент Рецензенты (сведения по состоянию на 2012 г.): Шкрабец Ф.П. – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Восстанавливаемые источники энергии» Национального горного университета (г. Днепропетровск); Жуков С.Ф. – доктор технических наук, профессор, генеральный директор научно-производственного центра технологий управления «Квантум» (г. Мариуполь); Кузнецов Б.И. – доктор технических наук, профессор, заведующий отделом проблем управления магнитным полем Научно-технического центра магнетизма технических объектов (г. Харьков) НАН Украины А 22

Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников Учеб. пособ. для студ. высш. учебн. завед. / К.Н. Маренич, Ю.В. Товстик, В.В. Турупалов, С.В. Василец, И.Я. Лизан. – Донецк: ООО «Технопарк ДонГТУ «УНИТЕХ», 2015. – 252 с. Данное издание является авторским переводом (проф. К.Н. Маренич) на русский язык учебного пособия: Автоматизований електропривод машин і установок шахт і рудників / К.М. Маренич, Ю.В. Товстик, В.В. Турупалов, С.В. Василець, І.Я. Лізан. – Донецк: ДонНТУ, 2012. – 245 с., рекомендованного Министерством образования и науки, молодёжи и спорта Украины (письмо №1/11-10338 от 08.11.2011 г.). В учебном пособии рассмотрены основные положения теории электропривода, принципы построения и функционирования автоматизированных электроприводов машин и установок горных предприятий. УДК 622.28 (075.8)

ISBN 978-966-8248-49-8

© К.Н. Маренич, Ю.В. Товстик, В.В. Турупалов, С.В. Василец, И.Я. Лизан, 2015 2


СОДЕРЖАНИЕ Предисловие .......................................................................................... 5 Раздел 1. Основные положения теории электропривода ............ 7 1.1 Назначение и структура электропривода. Особенности применения в условиях горного производства ............................ 7 1.2 Основное уравнение и характеристики электропривода ............ 11 1.3 Переходные процессы в электроприводах. Методы расчёта переходных процессов ...................................................... 14 1.4 Приведение статических моментов и усилий в электроприводе............................................................................. 19 1.5 Электромеханические свойства двигателей постоянного тока .. 21 1.6 Электромеханические свойства асинхронных двигателей ......... 24 1.7 Каскадные схемы регулирования скоростных режимов работы асинхронных двигателей ................................................... 35 1.8 Электромеханические свойства синхронных двигателей ........... 39 1.9 Способы торможения электродвигателей .................................... 41 1.10 Принципы построения систем управления электроприводами ......................................................................... 54 1.11 Средства управления скоростными режимами электродвигателей......................................................................... 66 1.12 Динамика пуска асинхронного двигателя. Методы повышения плавности разгона асинхронного двигателя .......... 78 Раздел 2. Режимы работы и расчёт мощности двигателей электроприводов ................................................................ 93 2.1 Общая характеристика режимов работы электродвигателей ..... 93 2.2 Принципы выбора электродвигателя с учётом специфики типовых режимов работы ........................................... 98 Раздел 3. Автоматизированный электропривод шахтных подъёмных установок ...................................... 109 3.1 Общие сведения о системах электропривода шахтного подъёма ........................................................................... 109 3.2 Устройство и особенности функционирования установок шахтного подъёма с электроприводом постоянного тока ........... 114 3.3 Устройство и особенности функционирования установок шахтного подъёма с частотно-управляемыми двигателями ....... 125 3.4 Устройство и особенности функционирования установок шахтного подъёма при применении асинхронных двигателей с фазным ротором ........................................................................... 129 3


Раздел 4. Электропривод конвейерного транспорта .................... 141 4.1 Особенности устройства и эксплуатации ленточных конвейеров ....................................................................................... 141 4.2 Применение тиристорных регуляторов напряжения в устройствах управления пусковыми режимами асинхронных электроприводов ленточных конвейеров .............. 150 4.3 Устройство и особенности эксплуатации асинхронных электроприводов конвейеров с реостатными схемами управления ........................................................................................ 156 4.4 Устройство и особенности эксплуатации электроприводов скребковых конвейеров ................................................................... 164 Раздел 5. Электропривод добычных и проходческих машин ..... 179 5.1 Особенности устройства и эксплуатации очистных комбайнов и струговых установок ................................................ 179 5.2 Электропривод подачи комбайна постоянного тока ................... 184 5.3 Частотно-управляемый асинхронный электропривод подачи очистного комбайна ........................................................... 186 5.4 Электропривод вынесенной системы подачи очистного комбайна с электромагнитными муфтами скольжения............... 196 5.5 Электропривод проходческих комбайнов .................................... 198 Раздел 6. Электропривод локомотивного транспорта ................. 202 6.1 Устройство и особенности эксплуатации шахтных электровозов .................................................................................... 202 6.2 Направления совершенствования электроприводов шахтных электровозов .................................................................... 206 Раздел 7. Электропривод шахтных стационарных установок ... 215 7.1 Электропривод насосных установок ............................................. 215 7.2 Электропривод вентиляторных установок ................................... 217 7.3 Электропривод компрессорных установок .................................. 226 Раздел 8. Безопасность эксплуатации электроприводов машин и установок шахт и рудников ............................ 229 8.1 Требования безопасности эксплуатации систем управления и электроснабжения электроприводов забойных машин ............ 229 8.2 Требования безопасности при применении систем управления отдельными горными машинами .............................. 232 ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................................................... 238 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................... 247

4


ПРЕДИСЛОВИЕ Современное горное предприятие представляет собой комплекс взаимосвязанных разнообразных технологических процессов. Большинство из них характеризуется высокой энергоёмкостью, необходимостью регулирования скоростных параметров исполнительных машин и механизмов, требует обеспечения высокого ресурса соответствующего электромеханического оборудования, эксплуатация которого усложнена специфическими условиями окружающей среды в шахте. Определяющую роль в работе горных машин, другого технологического оборудования шахты играют их электроприводы и средства их автоматизации. Таким образом, автоматизация горно-технологических процессов как один из важнейших факторов обеспечения высоких показателей угледобычи, касается, прежде всего, проблематики эксплуатации автоматизированных, электроприводов машин и установок шахт и рудников. Решение задач, связанных с разработкой и эффективной эксплуатацией средств автоматизации производственных процессов и, в частности, автоматизированных электроприводов горных машин, в значительной степени определяется качеством подготовки специалистов соответствующего направления и специализации. Таким образом, специалист в вопросах автоматизации горно-технологических процессов должен быть хорошо осведомлён в вопросах устройства и применения автоматизированных электроприводов с учётом специфики работы соответствующих технологических установок, типов и параметров применённых электродвигателей, требований относительно обеспечения безаварийной эксплуатации силового электромеханического оборудования в условиях шахты, отличающихся повышенной влажностью, запылённостью отдельных выработок, представляющих повышенную опасность пожара или взрыва метановоздушной смеси. Учитывая это, в учебном пособии рассмотрение схемных решений и принципов работы типовых электроприводов горнотехнологического оборудования основывается на анализе устройства соответствующих горных машин и технологических установок, условий их эксплуатации в шахте. Наряду с известными, широко применяемыми в горной промышленности системами электроприводов рассматриваются новейшие разработки и перспективные направления 5


совершенствования силовой приводной техники и средств её автоматизации. Прежде всего, это касается частотно-управляемого асинхронного электропривода горных машин, силовых тиристорных средств управления пуском и торможением асинхронных двигателей рудничных транспортных средств, перспектив применения вентильных реактивных двигателей и т.п. Учитывая специфику эксплуатации силового электромеханического оборудования в шахте, особое внимание уделено вопросам обеспечения безаварийной работы шахтных электроприводов в контексте положений соответствующих нормативно-технических документов. Всё это создаёт возможность формирования у студентов системы знаний по теории автоматизированного электропривода машин и установок шахт и рудников, особенностям его устройства и применения в условиях шахты. Подготовка ученого пособия основана на многолетнем опыте преподавания учебных курсов по изучению общего электропривода и электропривода машин и установок шахт и рудников преподавателями кафедр «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» (К.Н. Маренич, Ю.В. Товстик), «Автоматика и телекоммуникации» (В.В. Турупалов) Донецкого национального технического университета и учебно-научного профессионально-педагогического института (И.Я. Лизан) Украинской инженерно-педагогической академии при обучении студентов по направлению подготовки «Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии», их собственном опыте в области исследований, разработок, промышленных испытаний и эксплуатации новых образцов рудничных электроприводов.

6


РАЗДЕЛ 1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Учебной целью раздела является рассмотрение основных положений теории электропривода, принципиально важных для дальнейшего уяснения особенностей устройства и функционирования типовых электроприводов технологических машин и установок шахт и рудников, включая средства управления их режимами работы. Результатом освоения студентами материала раздела являются знания электромеханических свойств электродвигателей, способов управления их скоростными и тормозными режимами. 1.1 Назначение и структура электропривода. Особенности применения в условиях горного производства Горное производство представляет собой совокупность разнообразных, согласованных между собой технологических процессов, выполнение которых обусловлено применением соответствующих электромеханических устройств, других исполнительных средств (рис. 1.1). Задачу приведения в движение рабочих органов технологических установок и машин, управления их скоростными и тормозными режимами выполняет электропривод, типичная структура которого приведена на рис. 1.2 [1]. Таким образом, электропривод выполняет преобразование электрической энергии, потребляемой из электросети, в механическую энергию, которая передаётся рабочему органу соответствующей технологической установки. В процессе работы возможно и обратное преобразование энергии. Основными элементами электроприводов являются электрические машины (двигатели), которые различаются в зависимости от рода потребляемого тока (переменный, либо постоянный), мощности, конструкции. Наибольшее распространение в горной промышленности получили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (нерегулируемые и частотно-управляемые приводы подачи очистных комбайнов, электроприводы струговых установок, скребковых конвейеров, некоторых типов ленточных конвейеров, проходческих комбайнов и породопогрузочных машин, насосных установок, вентиляторов местного проветривания, поршневых компрессоров и др.). К преимуществам этих двигателей следует отнести: надёжность, про7


стоту устройства и обслуживания, относительно низкую стоимость, отсутствие контактной передачи электроэнергии на подвижные элементы, отсутствие искрообразования в процессе работы. Однако, определённую сложность представляет процесс регулирования угловой скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, в связи с чем требуется, как правило, применение сложных и дорогостоящих преобразовательных устройств. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ ШАХТЫ

Очистные работы

Проходческие работы

Скиповой

Комбайны

Комбайны

Ленточные конвейеры

Насосные установки

Клетьевой

Струговые установки

Породопогрузочные машины

Скребковые конвейеры

Вентиляторные установки

Электровозы

Компрессорные установки

Подъём

Одноконцевая откатка

Шахтный транспорт

Стационарные установки

Рисунок 1.1 – Области применения устройств электропривода в шахтных технологических установках

Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются в электроприводах одноконцевых откаток и в приводах отдельных типов магистральных ленточных конвейеров. В обоих случаях средствами реостатного или каскадного регулирования реализуется функция управляемого, или плавного пуска соответствующей горной транспортной машины. Синхронные двигатели отличаются возможностью поддерживать постоянную величину угловой скорости при колебаниях нагрузки (момента сопротивления) и в горной промышленности применяются, преимущественно, в электроприводах вентиляторов главного проветривания; отдельных типов турбокомпрессорных установок; в системах приводов «генератор-двигатель» шахтных подъёмных установок для обеспечения и поддержания постоянной угловой скорости генератора постоянного тока. Кроме этого, известны системы шахтного подъёма с применением синхронного двигателя в качестве при8


водного. Регулирование скорости подъёма обеспечивается применением преобразователя частоты в цепи этого двигателя [2]. Среди машин постоянЭЛЕКТИЧЕСКАЯ СЕТЬ ного тока в электроприводах шахтных технологических усПреобратановок применяются двигазователь тели независимого возбуждения (некоторые типы регулируемых приводов постоянного Устройство Двигатока очистных комбайнов, управлетель ния электроприводы постоянного тока шахтных подъёмных установок), а также машины Устройство передачи последовательного возбуждения (электроприводы постоРисунок 1.2 – Структурная янного тока шахтных аккусхема управляемого электРабочий муляторных и контактных орган ропривода электровозов). Средства регулирования скорости двигателей постоянного тока отличаются простотой и низкой стоимостью. Однако, сама конструкция такого двигателя является достаточно сложной, требует использования большого количества медных компонентов, что удорожает машину, предполагает контактную передачу электроэнергии постоянного тока на коллектор. Это существенно снижает ресурс и надёжность машины, усложняет её обслуживание, создаёт искрообразования и опасность возникновения коллекторного огня. Всё это определяет тенденции преимущественного применения в электроприводах оборудования горной промышленности асинхронных двигателей. В соответствии с типовой структурой электропривода (рис. 1.2), с целью регулирования его электромеханических параметров устройство управления может исполнять функцию воздействия относительно преобразователя, самого двигателя, либо устройства передачи. Функции и структура преобразователя определяются параметрами электросети, типом приводного двигателя (рис. 1.3). Так, с учётом того, что напряжение магистральных кабельных линий составляет 6000 В, а большинство электродвигателей технологических установок рассчитаны на напряжение меньшего номинального уровня (660 В; 1140 В), функцию преобразователя исполняет 9


трансформатор участковой подстанции. Кроме этого, в случае реализации функции плавного пуска асинхронного двигателя в цепи его статора может быть применён регулятор (тиристорный) напряжения в качестве устройства преобразования величины напряжения промышленной частоты, подаваемого на статор двигателя. Глубокое и продолжительное регулирование величины угловой скорости асинхронного двигателя достигается применением преобразователя частоты в цепи его статора. При использовании двигателя постоянного тока функцию преобразователя исполняет управляемый выпрямитель в цепи якоря данной электрической машины. Рассмотренный способ эффективен для продолжительного поддержания и регулирования скорости якоря в полном диапазоне скоростей. Электросеть Регулятор напряжения Трансформатор Нерегулируемый асинхронный электропривод

Асинхронный электропривод с устройством плавного пуска

Преобразователь частоты

Управляемый выпрямитель

_

+ Регулируемый электропривод постоянного тока

Регулируемый асинхронный электропривод

Рисунок 1.3 – Варианты применения преобразователей в электроприводах

Функция управления с непосредственным воздействием на двигатель отличается применением средств реостатного, или каскадного регулирования параметров асинхронных двигателей с фазным ротором (прежде всего, - регулирование угловой скорости ротора); рео10


статного регулирования угловой скорости якоря двигателя постоянного тока. К устройствам передачи относятся редукторы и муфты. Функция управления может быть применена к редуктору при условии, что этот редуктор является многоскоростным. Однако, в рудничных технологических установках такие редукторы, как правило, не применяются. В отношении передаточных устройств функция управления предусматривает наличие управляемых муфт. К ним следует отнести электромагнитные муфты скольжения, регулирование угловой скорости выходного вала которых выполняется изменением величины постоянного тока обмотки индуктора (в качестве преобразователя применяется управляемый выпрямитель). Объектом применения этих муфт на горных предприятиях является привод вынесенной подачи очистного комбайна. Кроме этого, имеется положительный опыт эксплуатации электромагнитных муфт скольжения в электроприводах скребковых конвейеров. К регулируемым относятся также гидромуфты с изменением объёма заполнения эмульсией. Но они имеют низкую эффективность и в электроприводах горных технологических установок не применяются. 1.2 Основное уравнение и характеристики электропривода Основными параметрами электропривода, которые существенно влияют на механические свойства технологических машин и установок, являются электромагнитный момент двигателя (М), его угловая скорость (ω) и момент инерции (J1). Рабочий орган так же характеризуется соответствующим моментом инерции (J2) и создаёт момент сопротивления (Мс) как противодействие двигательному электромагнитному моменту двигателя (рис. 1.4). Момент инерции J1 представляет собой произведение массы (m) вращающегося тела на квадрат радиуса инерции (ρ): J=mρ2

(1.1)

В случае, если на одной оси находятся несколько объектов, общий момент инерции этой системы будет равен сумме моментов инерции каждого из указанных объектов, т.е., в соответствии с рис. 1.4, Jобщ = J1+J2. 11


Основной характеристикой приводного двигателя является его механическая характеристика, ω которая устанавливает функМ циональную зависимость угJ1 ловой скорости двигателя от электромагнитного момента на его валу. Кроме этого, J2 практический интерес представляет электромеханическая характеристика – зависимость Мс между угловой скоростью двигателя и потребляемым током. Рисунок 1.4 –Иллюстрация взаимодействия параметров электропривода Соотношения между электромагнитным моментом двигателя и моментом сопротивления, приложенным со стороны рабочего органа может быть различным по величине, однако двигательный момент двигателя (М) в процессе работы привода всегда уравновешивается моментом сопротивления (Мс) в совокупности с инерционно-динамическим моментом (Jdω/dt), возникающим при изменении скорости привода. Это положение раскрывает сущность основного уравнения электропривода: Мд = М - Мс =Jdω/dt,

(1.2)

где Мд – динамический момент электропривода. Из выражения (1.2) можно сделать следующие выводы, учитывая, что момент инерции J привода является величиной, как правило, постоянной и не может принимать отрицательных значений: М > Мс – условие ускоренного движения привода; М < Мс – условие замедления, снижения скорости движения привода; М = Мс – условие устойчивого режима работы привода (работа с постоянной скоростью). Сам двигатель может испытывать различные воздействующие факторы со стороны средств управления и, в соответствии с этим, создавать электромагнитный момент (М), совпадающий, либо не совпадающий с направлением угловой скорости (ω) своего вала. Соответственно этому, различают двигательные и тормозные режимы ра12


боты электродвигателей (рис, 1.5). В координатах механических характеристик двигателя выделяют четыре квадранта, два из которых (І и ІІІ) относятся к двигательным режимам работы и отличаются между собой только направлением вращения вала двигателя. Другие два квадранта (ІІ и ІV) являются областями тормозных режимов двигателя. Состоянием, предшествующим торможению, является двигательный режим: в квадрант ІІ двигатель переходит из квадранта І, а в квадрант ІV – из квадранта ІІІ. Двигатель, рабоω ω тающий в двигательном II I режиме, так же может изменять угловую скорость как в сторону увеω М М ω личения, так и в сторону Торможение Движение уменьшения под воздейДвижение 0 Торможение М ствием управляющих или возмущающих воздействий. Соответственно этому различают усМ ω ω М IV тойчивые или неустойIII чивые механические характеристики двигателей Рисунок 1.5 – Области расположения меха(рис. 1.6). Механическая нических характеристик двигателя в режимах движения и торможения характеристика двигателя считается устойчивой, если двигатель, работая в устойчивом состоянии на этой характеристике имеет возможность изменять под воздействием влияющих факторов свою угловую скорость, возвращаясь в состояние устойчивого режима работы, В случае работы на неустойчивой механической характеристике двигатель под воздействием управляющих или возмущающих воздействий тоже выходит из устойчивого состояния, однако в процессе изменения скорости дальнейшего возвращения двигателя в устойчивое состояние не происходит. Эти положения поясняются диаграммами (рис. 1.6). Так, условием устойчивого состояния двигателя является работа его в точке «А», где М = Мс (соответственно характеристике «1» на рис. 1.6, а); М = Мс1 (соответственно рис. 1.6, б). Допустим, что в результате управляющего воздействия произошло изменение механической характеристики двигателя (рис. 1.6, а), и он перешёл в точку «В» характеристики «2». В этой точке он 13


развивает момент М, меньший, чем момент сопротивления Мс, что, в соответствии с основным уравнением привода приведёт к замедлению движения вала двигателя (по характеристике «2» до точки «С», где восстановится состояние устойчивой работы (М = Мс). ω

ω 1

A B

C

A M 2

0

0

M Mс

M Mс2

а

Mс1

Mс3

б

Рисунок 1.6 –Диаграммы, поясняющие свойства устойчивых (а) и неустойчивых (б) механических характеристик двигателей

В случае работы двигателя на неустойчивой механической характеристике (рис. 1.6, б) в точке «А» устойчивого состояния возможны следующие изменения: - момент сопротивления Мс1 уменьшился до Мс2. В этом случае двигатель развивает в точке «А» момент М, превышающий величину Мс2 и, с учётом положений основного закона электропривода, это приведёт к дальнейшему повышению угловой скорости вала двигателя с увеличением ускорения; - момент сопротивления Мс1 увеличился до Мс3. В этом случае двигатель развивает в точке «А» момент М, меньший величины Мс3 и, с учётом положений основного закона электропривода, это приведёт к дальнейшему снижению угловой скорости вала двигателя с увеличением замедления. 1.3 Переходные процессы в электроприводах. Методы расчёта переходных процессов Условием нахождения электропривода в устойчивом состоянии является равенство между электромагнитным моментом (М) приводного двигателя и моментом сопротивления (Мс), приложенным к его 14


валу со стороны рабочего органа. В процессе работы привода это равенство может быть нарушено: - в случае изменения управляющего воздействия непосредственно относительно двигателя (что сопровождается изменением его механической характеристики); - в случае изменения возмущающего воздействия относительно вала приводного двигателя (изменения величины момента сопротивления). В обоих случаях привод выходит из устойчивого состояния и, при условии нахождения двигателя на устойчивой механической характеристике, впоследствии возвращается в устойчивое состояние, переходя на новый уровень скорости. Этот процесс продолжается некоторое время, в течение которого скорость двигателя изменяется от одного устойчивого уровня к другому, увеличиваясь (при M>Мс), или уменьшаясь (при M<Мс). Такой процесс перехода объекта или системы от одного устойчивого состояния к другому устойчивому состоянию называется переходным процессом. Применительно к электроприводу различают три типа переходных процессов: - механические, связанные с изменением кинетической и потенциальной энергии системы, скоростных параметров привода и его элементов, электромагнитного момента двигателя и т.п.; - электромагнитные, обусловленные изменением величины электромагнитной энергии в электрической машине, пропорционально индуктивности и квадрату тока её силовой цепи; - тепловые, обусловленные потерями энергии в активных сопротивлениях обмоток, в стали магнитопроводов, механическими потерями в подшипниках и т.п. В сравнении с механическими, электромагнитные переходные процессы являются менее продолжительными, однако они являются тем влияющим фактором, который определяет характер изменения параметров и продолжительность механических переходных процессов. Это влияние на поведение электропривода определяется, прежде всего, типом и особенностями конструкции самой электрической машины. Так для машины постоянного тока величина индуктивности её обмоток влияет на скорость изменения тока в этих обмотках, что изменяет (на интервале пуска двигателя) зависимость его электромагнитного момента от угловой скорости в сравнении со статической механической характеристикой. В машине переменного тока индук15


тивность обмоток обусловливает появление свободных составляющих переменного тока при контакторной коммутации, что, в свою очередь, вызывает колебательную составляющую электромагнитного момента на интервале разгона асинхронного двигателя. Основным параметром, определяющим продолжительность переходного процесса, является постоянная времени – отношение величин индуктивности (L) обмотки двигателя к её активному сопротивлению (R), т.е., Tэм=L/R. Тепловые переходные процессы являются наиболее продолжительными и определяют величину изменения температуры объекта. Тепловое состояние любого физического тела изменяется по экспоненте как при нагревании, так и при охлаждении. Параметры экспоненты изменения теплового состояния объекта, в частности, двигателя, характеризуются тепловой постоянной времени ТТ, которая, в свою очередь, определятся отношением теплоёмкости (С) этого двигателя к теплоотдаче (А), т.е., ТТ =С/А. Важным показателем теплового переходного процесса является также превышение (τ) температуры объекта над температурой окружающей среды (перегрев объекта) и, в частности, устойчивое превышение температуры двигателя: τст = ΔР/А,

(1.3)

где ΔР – мощность потерь при работе двигателя с постоянной нагрузкой, которая представляет собой разность между величиной мощности (Р1), потребляемой двигателем, и мощностью (Р) на его валу: ΔР = Р1 – Р.

(1.4)

При ΔР=const величина превышения температуры двигателя определяется из уравнения теплового переходного процесса:

τ =τ

ст

t Tt

(1 − е ) + τ поч е −

t Tt

(1.5)

где τпоч - величина начального превышения температуры двигателя. Эксплуатационные свойства электропривода непосредственно определяются параметрами механических переходных процессов, анализ которых основывается на основном уравнении электропривода: 16


J

dω = dt M

−M

с

=M

Д

,

(1,6)

где МД – динамический момент электропривода. Задача определения параметров переходного процесса электромеханической системы состоит в определении продолжительности существования переходного процесса, закономерности изменения скорости, момента и т.п. параметров привода на интервале существования переходного процесса. Одним из эффективных способов решения этой задачи является графоаналитический метод расчёта. Он так же основывается на основном уравнении привода и состоит в следующем. Исходными данными для расчёта переходного процесса могут быть: механическая характеристика двигателя с учётом управляющего влияния (при наличии последнего); величина (характеристика изменения) момента сопротивления Мс; величина момента инерции привода (J). Расчёт переходного процесса работы электропривода графоаналитическим методом следует начинать с построения механической характеристики ω = f(M) приводного электродвигателя и характеристики момента сопротивления Мс во ІІ квадранте (рис. 1.7). Графическим вычитанием величины Мс от М, строится динамическая механическая характеристика привода ω = f(MД). Дальнейшее применение графоаналитического метода состоит в переходе от первой производной скорости по времени к отношениям элементарных приращений скорости к элементарным приращениям времени, т.е., Δωi/Δti. Этот переход может быть осуществлён при условии, что MД=const. Ординату изменения динамического момента привода MД следует разделить на n элементарных участков Δωi и на каждом участке определить среднее значение динамического момента привода MДср і, принимая его величиной постоянной (MДср і=const). Следующим шагом является расчёт элементарного приращения времени Δti., которое соответствует элементарному приращению скорости Δωi, пользуясь формулой, полученной из основного уравнения электропривода при условии постоянства динамического момента привода на і-м участке изменения скорости: Δti = J Δωi/MДср і

(1.7) 17


ω

Мд ср4

M

E

Мд ; ω Мд

Δω4

D

Δω4

ω

D

Δω3

Δω3

C

Δω2

Мд

C Δω2

B

Δω1

B A

Δω1 A 0

Мс

Мд ср1

E 0

М Мд ср3

t Δ t1

Δ t2

Δ t3 Δ t4

Мд ср2

Рисунок 1.7 – Пример определения параметров переходного процесса пуска асинхронного электропривода графоаналитическим способом

В дальнейшем, в координатах ω=f(t) должна быть построена характеристика механического переходного процесса работы электропривода отображением координат Δti и соответствующих им координат Δωi. Кроме этого, может быть построена зависимость МД=f(t). Для Этого ось ординат характеристики переходного процесса должна быть размечена в масштабе момента. В конечных точках участков Δti (расположенных по абсциссе) следует построить в масштабе моментов точки мгновенных значений динамического момента привода, которые соответствуют конечным точкам соответствующих элементарных приращений Δωi. В точке «Е» (рис. 1.7) величина динамического момента привода МД равняется нулю, что является признаком завершения переходного процесса разгона электропривода. Из анализа переходного процесса пуска асинхронного двигателя в составе электропривода, пример расчёта которого приведен на рис. 1.7, можно сделать следующие выводы: - увеличение момента сопротивления, приложенного к валу двигателя, приведёт к уменьшению величины динамического момента привода, что, в свою очередь, обусловит увеличение продолжительностей элементарных приращений времени Δti и продолжительности разгона привода в целом; 18


- этот же результат может быть получен в случае электропитания асинхронного двигателя напряжением меньшей величины, когда существенно (в квадратической зависимости к величине напряжения сети) уменьшается величина момента двигателя М=f(U2) и, соответственно, величина динамического момента привода (МД=М–Моп). 1.4 Приведение статических моментов и усилий в электроприводе Наиболее распространённым является электропривод, в котором электромагнитный момент передаётся на вал рабочего органа машины не непосредственно, а через редуктор (с целью согласования величины угловой скорости выходного вала привода с требуемой скоростью вращения вала рабочего органа). Особенностью такого электропривода является наличие некоторого количества его подвижных элементов, вращающихся с разными угловыми скоростями. В состав электропривода могут входить и подвижные элементы, перемещаемые линейно. Параметры всей этой сложной системы необходимо привести к валу электродвигателя (или валу рабочего органа машины) с учётом энергетического баланса системы. Задачей приведения моментов и усилий сопротивления в электроприводе является определение фактического момента сопротивления, приложенного к валу двигателя (Мсд) в сложной кинематической системе при условии, если известна величина момента сопротивления на валу рабочего органа производственного механизма (Мсм) этого привода (рис. 1.8). В упрощенной форме (для инженерных расчётов) эта задача решается при условии пренебрежения зазорами и упругостью отдельных элементов трансмиссии привода. На основе равенства мощностей на валу рабочего органа и на валу двигателя получим соотношение [1;3]: - применительно к вращательному движению (шестерня с моментом инерции J3 передаёт движение на рабочий орган 1): 1

М ω η СМ

откуда

М

СД

М1

= М СД ω д

,

(1.8)

П

= М СМ ω М 1

1

ω η Д

=

П

19

М , іη

СМ П

(1.9)


- применительно к вращательно-поступательному движению (шестерня с моментом инерции J3 передаёт движение на рабочий орган 2): 1 (1.10) F СМ V М = М СД ω Д

η

П

откуда

М

СД

=

F

V СМ

М

1

ω η Д

,

(1.11)

П

где ηп – КПД передачи; і=ωд/ωм1 – передаточное число редуктора; VM – скорость поступательного движения элемента рабочего органа с массой m; Fс м – сила сопротивления движению производственного механизма. Редуктор Мсд

Рабочий орган 1

J5 Мсм

J д; ω д

Двигатель

ω1

Рабочий орган 2

J3

J2

Jм1; ωм1

ω м2

Jм2;

J4 Рисунок 1.8 – Комбинированная кинематическая схема электропривода с элементами вращательного (рабочий орган 1) и вращательно-поступательного (рабочий орган 2) движения

Vм m Fс.м

В кинематической схеме привода при наличии элементов вращательного и поступательного движения, вращающихся элементов, находящихся на разных осях редуктора (имеют различные угловые скорости) следует определить приведенный момент инерции системы. Этим приведенным моментом инерции кинематической системы является момент инерции простейшей системы, состоящей из элементов, вращающихся со скоростью оси, к которой производят приведение и которая имеет такой запас кинетической энергии, который ра20


вен запасу кинетической энергии реальной кинематической системы привода. Таким образом, суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя, определяется из положения, согласно которому кинетическая энергия всего привода (с учётом этого приведенного к валу двигателя момента инерции) равна сумме показателей кинетической энергии отдельных подвижных его масс. При работе рабочего органа 2 (вращательно-поступательное движение, рис. 1.8) это положение описывается выражением:

J

ω пр

ω

2 дв

2

=

J

дв

2 дв

2

+ J1

ω

2 дв

+J ω +J ω +J ω 2 2 2 2

2

2

1

1

M2

2

2

3

4

+J ω 2

2 M2

M2

2

+ m V , (1.12) M

2

Отсюда, момент инерции всего привода, приведенный к валу двигателя (Jпр), определяется в результате умножения всех элементов уравнения (1.12) на число (2/ ω2дв). 1.5 Электромеханические свойства двигателей постоянного тока Среди разнообразия машин постоянного тока в составе электроприводов технологических установок шахт применение нашли двигатели постоянного тока независимого и последовательного возбуждения. Схемы подключения их к источникам питания приведены на рис. 1.9.

_

U

+

КМ Іяк

ОВ

+

КМ Іяк

Е М

_

Rдоп

Е

М

а

_

U

+

ОВ Rдоп б

Рисунок 1.9 - Схемы электропитания двигателей постоянного тока независимого (а) и последовательного (б) возбуждения

Устойчивый режим работы двигателя постоянного тока характеризуется тем, что его напряжение питания U (приложенное к двига21


телю) уравновешивается падением напряжения на совокупности сопротивлений силовой цепи IЯКΣR и ЭДС якоря E: U =IЯКΣR+ E;

(1.13)

Е = сФω,

(1.14)

где с - конструктивный коэффициент двигателя; ω – угловая скорость якоря двигателя; Ф – магнитный поток, величина которого обусловлена током Іов в обмотке возбуждения (ОВ) двигателя (рис. 1.10). Аналитические выражения (1.13) и (1.14) обусловливают структуру формулы электромеханической характеристики двигателя постоянного тока: ω=

ΣR U , − І як сФ сФ

(1.15)

где первая составляющая правой части уравнения представляет собой выражение скорости холостого хода якоря двигателя, а вторая составляющая – потери скорости якоря двигателя, работающего под нагрузкой:

ω Δω =

Ф

0

І

ІІ

ІІІ

Іов

Рисунок 1.10 –Зависимость магнитного потока машины постоянного тока от тока намагничивания

0

І

=

як

U сФ

(1.16)

ΣR

(1.17)

сФ

С учётом функциональной зависимости между электромагнитным моментом двигателя и током якоря (М=сФIЯК) и формулы (1.14) может быть определено аналитическое выражение для механической характеристики двигателя постоянного тока: ω=

U

MΣR 2

сФ cФ

22

2

(1.18)


Таким образом, регулирование угловой скорости якоря двигателя постоянного тока можно выполнять путём изменения величины напряжения питания (постоянного тока), либо введением в цепь якоря дополнительных резисторов (рис. 1.11). Процесс регулирования изменением питающего напряжения осуществляется при неизменном наклоне характеристик двигателя, которые (при условии отсутствия дополнительных резисторов в цепи якоря) отличаются высокой жёсткостью. U1

ω

ω Δω1 U1

U2<U1

U2<U1

U1; Rдоп > 0 0

U1; Rдоп > 0 0

М; Іяк

а

М1; Іяк1

М; Іяк

б

Рисунок 1.11 – Механические (электромеханические) характеристики двигателя постоянного тока независимого (а) и последовательного (б) возбуждения

Жёсткость механической характеристики – это отношение диапазона изменения электромагнитного момента, который развивает электродвигатель, к соответствующему диапазону изменения угловой скорости. Такой способ, как правило, применяют в установках электропривода машин с неустойчивым моментом сопротивления, в которых необходимо поддерживать устойчивый скоростной режим. Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения (сериесные двигатели) отличаются тем. Что их обмотка возбуждения подключается непосредственно в силовую цепь якоря двигателя. Таким образом, ток возбуждения двигателя является током его якоря и может изменяться в широком диапазоне. Соответственно этому, может изменяться магнитный поток двигателя, и в формулах (1.15) – (1.18) следует учитывать его в функциональной зависимости от тока 23


якоря, т.е., Ф(Іяк). Этому соответствует семейство механических и электромеханических характеристик (рис. 1.11, б). Особенностью эксплуатации двигателя последовательного возбуждения является то, что с приближением его момента сопротивления (и тока якоря) к нулевому значению, угловая скорость якоря имеет тенденцию роста до бесконечности. Для такого двигателя невозможно создать режим холостого ходя, его нельзя ввести в режим генераторного торможения (в отличие от двигателя независимого возбуждения). 1.6 Электромеханические свойства асинхронных двигателей Асинхронные двигатели являются наиболее распространёнными электрическими машинами благодаря приемлемым эксплуатационным свойствам, простой, более компактной и надёжной конструкции, отсутствию контактирующих подвижных узлов (за исключением машин с фазным ротором), существенно меньшей стоимости в сравнении с машинами постоянного тока. Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. Последние позволяют осуществлять управление скоростным режимом электропривода путём непосредственного воздействия на двигатель методом подключения дополнительных роторных сопротивлений или внешней ЭДС – в обмотку ротора машины. Асинхронный двигаX1 R1 X’2 І1 тель может быть представлен Г-образной схемой замещения (рис. 1.12), X0 R1 / s где обозначены: R1; X1 – UФ активное и индуктивное R0 сопротивления статора; І’2 R’2 X’2 - приведенные к статору активное и индуктивное сопротивления роРисунок 1.12 – Схема замещения тора; R0; X0 – активное и асинхронного двигателя индуктивное сопротивления цепи намагничивания; s– скольжение ротора относительно угловой скорости поля статора (1.19) s = (ω0 – ω)/ω0 , где ω – фактическая угловая скорость вращения ротора двигателя. 24


Угловая скорость холостого хода асинхронного двигателя определяется частотой f напряжения питающей сети и количеством пар p полюсов двигателя: ω0 = 2πf/p

(1.20)

электрический ток, потребляемый двигателем, может быть представлен суммой тока намагничивания І0 и приведенного тока цепи ротора І’2:

I

' 2

U

=

'

( R1 +

R) s 2

2

(1.21)

ф

+ (X1+

X ) '

2

2

Учитывая это, а также с учётом выражения (1.19), имеем графическую интерпретацию зависимости величины тока, І1 потребляемого электродвигателем от величины угловой скорости ω ротора, т.е., электромеханическую характеристику асинхронного двигателя (рис. 1.13, а). Эта характеристика показывает, что одним из характерных признаков, свойственных асинхронному двигателю, является существенное превышение пусковым током Іп величины номинального тока Ін этой электрической машины. Как правило, эта кратность пускового тока находится у пределах 6 < (Іп/Ін) < 7. Только в отдельных типах асинхронных двигателей благодаря применению специальных форм сечения обмотки ротора эта кратность токов несколько уменьшается. Однако, принципиальным является то, что стопорение (отсутствие вращения) ротора асинхронного двигателя при наличии напряжения питания на его статоре приведёт к протеканию пускового тока по обмоткам. При продолжительности существования такого тока более, чем 5-6 с (для большинства типов асинхронных двигателей) это может привести к перегреву изоляции обмоток и повреждению самого двигателя. В системах электроприводов горных машин применяется тепловая защита двигателей на основе использования тепловых датчиков (терморезисторных, а так же датчиков „тепловое реле” ДТР3М). Кроме этого, в схемах пускателей асинхронных двигателей предусмотрен блок косвенной тепловой защиты двигателя от перегрузки (ТЗП), в котором моделируется тепловой режим двигателя на основе измерения потребляемого тока [4;5]. 25


ω ω0

ω

ωн

0

ω0

Ін

ωн

0 Мн Мп

Іп І1

Мк

М

а б Рисунок 1.13 - Электромеханическая (а) и механическая (б) характеристики асинхронного двигателя

Условием определения механической характеристики асинхронного двигателя является анализ составляющих его электромагнитной мощности: Рем = m Uф I’2 cos φ = М ω0,

(1.22)

где m - число фаз статора двигателя.

cos ϕ

R

' 2

s

=

'

( R1 +

R) s 2

2

(1.23)

2

М

эм

X ) '

+ (X1+

2

2

'

mU ф R2

=

ω

,

'

0

s (( R1 +

R)

2 2

s

+ (X1+

X

' 2

(1.24)

)2 )

С учётом фактических величин скольжения s ротора, получим механическую характеристику асинхронного двигателя (рис. 1.13, б), которая имеет следующие характерные параметры: Мп – момент пусковой; Мн – момент номинальный; Мк – момент критический (максимальный), которому соответствует критическое скольжение sк:

Мк=

mU 2

2 ω 0 ( R1 ±

R

1

2

ф

+ (X 1 + 26

X ) '

2

2

(1.25)


'

s

К

R R + (X + X ) 2

2

1

'

1

2

(1.26)

2

В случае пренебрежения активными сопротивлениями обмоток асинхронного двигателя, его механическая характеристика может быть представлена упрощённой формулой: М = 2Мк/((s /sк )+(sк /s))

(1.27)

Из анализа механической характеристики асинхронного двигателя (выражение 1.24 и рис. 1.13, б) можно сделать следующие выводы: - критический момент Мк асинхронного двигателя пропорционален квадрату величины напряжения питания U; - величина синхронной угловой скорости ротора асинхронного двигателя ω0 пропорциональна частоте f питающего напряжения и обратно пропорциональна числу пар p полюсов двигателя; - критическое скольжение sк асинхронного двигателя – пропорционально величине активного сопротивления цепи его ротора; - критический момент Мк асинхронного двигателя не зависит от величины активного сопротивления цепи его ротора. Эти положения являются основными, обусловливают способы регулирования угловой скорости асинхронного двигателя: - изменением частоты питающего напряжения (рис. 1.14); - изменением числа пар полюсов двигателя (рис. 1.15); - изменением сопротивления дополнительного роторного резистора (рис.1.16). В процессе частотного управления скоростным режимом асинхронного двигателя важным является поддержание стабильной величины критического момента машины. Пренебрегая величинами активных сопротивлений обмоток двигателя (которые имеют крайне малые значения), этот критический момент может бать представлен аналитическим выражением: (1.28) Мк = mUф2/(2ω0 (x1 + x’2)) Учитывая то, что индуктивные сопротивления обмоток двигателя определяются соответствующими индуктивностями L, а именно: 27


Х1=2πfL1; Х’2=2πfL’2, и с учётом выражения (1.20), преобразуем формулу (1.28): Мк=mрUф2/(8π2f 2(L1+L’2))

(1.29)

В этом случае величинами, которые подлежат регулированию при применении управляющего воздействия относительно асинхронного двигателя являются только величина напряжения питания и его частота. Число фаз m, количество пар полюсов р и индуктивности обмоток L1 и L’2 двигателя являются величинами неизменными и определяются особенностями конструкции последнего. Таким образом, условием обеспечения постоянной величины критического момента асинхронного двигателя при частотном регулировании является поддержание постоянного соотношения величины напряжения питания двигателя к его частоте (правило М.П. Костенко): Uф/f=const

(1.30)

Уменьшение частоты при неизменной величине питающего напряжения приведёт к существенному увеличению момента двигателя (более, чем значение критического момента Мкн естественной характеристики), что представляет опасность механического повреждения элементов трансмиссии и может сопровождаться повышением потребляемого тока в связи с уменьшением индуктивных сопротивлений обмоток двигателя. В случае увеличения частоты напряжения питания асинхронного двигателя до величины, превышающей частоту сети, для обеспечения номинального критического момента (соответствующего работе двигателя при номинальном напряжении промышленной частоты) необходимым является повышение величины этого напряжения. В условиях промышленного предприятия это потребует применения специальной трансформаторной подстанции, рассчитанной на формирование выходного напряжения повышенной величины и, соответственно, рассчитанной на это напряжение силовой коммутационной аппаратуры (автоматические выключатели, магнитные пускатели). Эти факторы являются объективными обстоятельствами, которые усложняют, а в большинстве случаев, - делают невозможным управление скоростными режимами горнотехнологического оборудования при питании приводных асинхрон28


ных двигателей напряжением частоты, превышающей промышленную частоту сети. ω ω01 ω02 ω03

0

f1

f2 < f1 f3 < f2

а

М кн

ω ω01 ω02 ω03

f1

0

М

f2 < f1

М кн

f3 < f2

М

б

Рисунок 1.14 – Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном управлении скоростными режимами а - Uф/f=const; б - Uф=const

Как правило, преобразование частоты в промышленных электроприводах производят в диапазоне от нуля до номинальной частоты сети. В этом диапазоне может быть установлен любой уровень частоты выходного напряжения преобразователя. Соответственно, этим можно поддерживать любой уровень угловой скорости двигателя в диапазоне скоростей от нуля до номинальной. В отличие от этого, изω менением числа пар полюсов 2р= 4 ω01 может быть достигнуто ступенчатое регулирование угловой скорости асинхронно2р=12 го двигателя соответственно ω02 задействованному числу пар полюсов обмотки статора. В Мк н М горной промышленности та0 кой способ реализуется приРисунок 1.15 – Механические характерисдвухскоростных тики асинхронного двигателя при управ- менением асинхронных двигателей с лении скоростными режимами измененидвумя разными статорными ем числа пар полюсов статора обмотками и с числом полюсов, соответственно, 2р=4 і 2р=12. 29


Способ реостатного регулирования угловой скорости асинхронного двигателя касается только машин с фазным ротором и реализуется подключением группы внешних резисторов в цепь трёхфазной роторной обмотки двигателя (рис. 1.16, а). Чаще всего этот способ применяется для управления разгоном (плавный пуск) двигателя путём поэтапного закорачивания отдельных секций дополнительных роторных резисторов. Наличие этих резисторов приводит к увеличению наклона механической характеристики двигателя, в результате, возрастает его пусковой момент. Так, искусственная механическая характеристика 3 (рис. 1.16, б) соответствует подключению в цепь ротора всех секций дополнительных роторных резисторов (Rдоп1+ +Rдоп2+Rдоп3). Процесс управляемого разгона асинхронного двигателя при реостатном управлении иллюстрируется диаграммами его механических характеристик (рис. 1.16, б). Начальный момент М1 выбирают из условия, что его величина не должна превышать величину критического момента двигателя, т.е., М1=0,8-0,9 МК. Момент переключения роторных резисторов должен превышать величину номинального момента двигателя: М2=1,11,2 МН. Таким образом, пуск двигателя начинается по характеристике 3. При достижении этой характеристикой точки с моментом переключения М2 (точка «е», рис. 1.16, б) срабатывает контактор КМ1 и закорачивает группу дополнительных резисторов Rдоп1. В дальнейшем двигатель переходит на искусственную характеристику 2, которая создана за счёт наличия группы дополнительных роторных резисторов Rдоп2+Rдоп3. Далее, в точке пересечения характеристики 2 с моментом М2 срабатывает контактор КМ2 и закорачивает группу дополнительных резисторов Rдоп2, переводя двигатель на искусственную характеристику 1. Процесс дальнейшего перехода двигателя на естественную механическую характеристику (ЕМХ) происходит аналогично, когда момент асинхронного двигателя, который разгоняется по характеристике 1, достигает величины момента переключения М2. Количество секций (m) дополнительных роторных сопротивлений рассчитывается по формуле:

M

1

= (1 + m

s М М Н

Н

1

) = 2М П ,

30

(1.31)


где Мн – номинальный момент двигателя; МП - средний пусковой момент двигателя (рассчитывается, как МП = ((М1 – М2)/2)+ М2). 3-фазная сеть

ω

а

ω0 КМ1

ЕМХ

b

1

c d

М

2

e

3

КМ4

f

М

0

Rдоп3

МН М2

КМ3

МП

М1 МК

б

Rдоп2

Рисунок 1.16 – Силовая схема (а) и механические характеристики (б) электропривода при реостатном регулировании скоростного режима асинхронного двигателя

КМ2 Rдоп1

а

Представленная совокупность механических характеристик асинхронного двигателя при разгоне средствами реостатного управления позволяет применить графический способ расчёта величин дополнительных сопротивлений: - рассчитывается номинальное сопротивление цепи:

R

Н

=

U I

2H

2H

3

,

(1.31)

где U2Н ; І2Н – номинальные данные ротора; - рассчитывается масштаб mR роторного сопротивления: mR = RH/ Δl a-f ,

(1.32) 31


ω

U2 < U1

U1 < UH

где Δla-f – длина отрезка (аf) на диаграмме механических характеристик (рис. 1.16, б); рассчитываются величины дополнительных роторных сопротивлений путём умножения величины mR на длины соответствующих отрезков между искусственными характеристиками двигателя на линии номинального момента:

UH

ω0

М 0

М кн

Рисунок 1.17 – Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении величины напряжения питания

Rдоп1 = mR Δl d-e ; Rдоп2 = mR Δl c-d ; Rдоп3 = mR Δl b-c .

Реостатное регулирование скоростного режима асинхронного двигателя реализуется наиболее дешёвым оборудованием, однако отличается низкой экономичностью, поскольку энергия скольжения ротора в процессе регулирования в значительной степени преобразуется в тепловую энергию нагрева дополнительных роторных резисторов. Косвенным способом влияния на электромеханические свойства асинхронного двигателя следует считать регулирование величины его напряжения при постоянстве частоты (промышленная частота напряжения сети). Этому способу соответствует семейство механических характеристик (рис. 1.17). Они имеют одну синхронную скорость, но отличаются величиной критического момента, находящейся в квадратичной зависимости от величины питающего напряжения (1.24; 1.25). Устойчивая работа двигателя приходится на достаточно небольшой интервал угловых скоростей – от скорости холостого хода до скорости, соответствующей критическому моменту. Однако, с уменьшением угловой скорости (увеличением скольжения ротора) существенно увеличивается ток (1.21) силовых цепей двигателя (рис. 1.12), поэтому продолжительное электропитание асинхронного двигателя напряжением уменьшенной величины является неприемлемым в связи с опасностью его перегрева. 32


Способ электропитания двигателя уменьшенным по величине напряжением применяют для повышения плавности пуска электропривода путем подачи на двигатель напряжения, увеличивающегося по величине от начального уменьшенного уровня до номинального по заранее заданному закону (разомкнутая система управления), либо путём регулирования напряжения питания двигателя в функции рассогласования заданной и фактической скоростей привода (замкнутая по параметру скорости привода система автоматического управления). Существенным недостатком асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором является его чрезмерно низкий пусковой момент, что препятствует использованию этой электрической машины в электроприводах со значительным моментом сопротивления. В то же время, электроприводы большинства горных машин, в частности, очистных комбайнов, отличаются наличием высоких моментов сопротивления, особенно при пуске. Это техническое противоречие решается изменением формы сечения стержня роторной обмотки двигателя с учётом эффекта вытеснения роторного тока [6]. Этот эффект поясняется следующим. Индуктивное сопротивление роторных обмоток определяется величиной потоков рассеивания Фσ2, сцепленных с их проводниками. Допустим, что конструкция роторной обмотки двигателя предусматривает наличие двойных стержней (рис. 1.18, а), из которых внешние 1 имеют меньшее сечение, а внутренние 2 – большее. Поскольку внешние стержни роторной обмотки расположены ближе к поверхности ротора, то сцепленные с ними потоки рассеивания не будут большими, потому обмотка 1, выполненная из внешних стержней имеет малое индуктивное сопротивление Х2П. В отличие от этого, обмотка, созданная стержнями 2 является удалённой от поверхности ротора и имеет большее реактивное сопротивление Х2Р. При протекании тока по обмоткам ротора, его составляющие распределяются в обмотках 1 и 2 следующим образом:

І І

2П 2Р

=

R R

2 2Р

2 2П

Х +Х +

2

(1.33)

2Р 2 2П

33


ω 1

ω0

Фσ2 2

М

а

0

б

М кн

Рисунок 1.18 – Свойства эффекта вытеснения роторного тока а –распределение потоков рассеяния Фσ2 относительно сечения проводника обмотки ротора; б – вид механических характеристик асинхронного двигателя в зависимости от формы сечения проводника обмотки ротора

В начале пуска частота тока ротора является максимальной (равняется частоте сети) и в процессе разгона двигателя уменьшается. Поэтому индуктивные сопротивления обмоток намного превышают их активные сопротивления. Распределение токов во внешней и внутренней обмотках определяется индуктивными сопротивлениями Поскольку Х2П <Х2Р, пусковой ток будет преимущественно протекать по внешней обмотке ротора, которая является пусковой. Поскольку эта обмотка имеет меньшее сечение и, соответственно, большее активное сопротивление R2П, она создаёт повышенный пусковой момент двигателя. В процессе увеличения скорости ротора частота роторного тока значительно уменьшается, и распределение токов во внешней и внутренней обмотках ротора будет определяться активными сопротивлениями этих обмоток. Сечение внешней (пусковой) обмотки 1 является меньшим, чем сечение внутренней обмотки 2, что обусловливает соответствующее соотношение их активных сопротивлений R2П>R2Р. Этим обусловлено вытеснение роторного тока во внутреннюю обмотку 2, которая выполняет функцию рабочей обмотки ротора. Применение принципа вытеснения роторного тока предусматривает использование специальных форм сечений стержней роторной 34


обмотки и позволяет получать повышение пускового момента асинхронного двигателя и несколько уменьшать величину его пускового тока (рис. 1.18, б). 1.7 Каскадные схемы регулирования скоростных режимов работы асинхронных двигателей Одними из эффективных средств управления скоростным режимом работы асинхронного двигателя является применение каскадной схемы регулирования. Этот способ может быть применён исключительно для управления асинхронным двигателем с фазным ротором и, как правило, реализуется схемой асинхронного машиновентильного (АМВК), а также, асинхронного вентильного (АВК) каскада (рис. 1.19). сеть

TV1

КМ1

М1

L1 ІІ K1 М2

І

АИ1 В1

М3 +

+

ОВ

--

-АМВК

АВК

Рисунок 1.19 – Схема подключения асинхронного двигателя (М1) с фазным ротором к каскадним схемам управления скоростными режимами

35


В схеме АМВК (переключатель К1 в положении «І») энергия скольжения ротора двигателя М1 передаётся через цепь выпрямителя трёхфазной ЭДС ротора (мостовой выпрямитель В) на цепь якоря двигателя постоянного тока М2. Таким образом, имеет место первый каскад преобразования электрической энергии скольжения ротора двигателя М1 в механическую энергию на валу двигателя М2. В дальнейшем, при наличии синхронного генератора М3, кинематически связанного с валом двигателя М2, будет иметь место второй каскад преобразования – механической энергии на валу двигателя М2 в электрическую энергию выхода генератора М3, которая может быть отдана в питающую сеть (при условии включения контактора КМ1). Этим объясняется высокий уровень экономичности каскадного способа воздействия на параметры асинхронного двигателя. При наличии тока в обмотке возбуждения (ОВ) двигателя М2, на его якоре будет создаваться ЭДС (ЕЯК). Ток роторной цепи асинхронного двигателя М1 будет обусловлен величиной ЭДС его ротора (Е20s) за исключением ЭДС якоря (ЕЯК) и падения напряжения (ΔU) на активных сопротивлениях роторной цепи, включая сопротивления диодов мостового выпрямителя, находящихся в проводящем состоянии. Параметром ограничения этого тока является эквивалентное активное сопротивление всех элементов роторной цепи (Rек) [3,7]: І2 = (Е20s - ЕЯК –ΔU) / Rек ,

(1.34)

где Е20 – среднее значение ЭДС на выходе выпрямителя при неподвижном роторе двигателя (в начале пуска; ω = 0; s = 1); Режиму холостого хода соответствует нулевое значение роторного тока (І2=0). Скольжение ротора двигателя в этом режиме будет определяться величиной ЭДС якоря двигателя М2: s0 = (ЕЯК +ΔU)/ Е20,

Е

20

= 2 Е2К

m

π

sin

π m

,

(1.35) (1.36)

где Е2К – линейное напряжение на кольцах ротора двигателя М1 при неподвижном роторе (ω = 0; s = 1). Относительно трёхфазной мостовой схемы выпрямителя (в цепи ротора двигателя М2), имеет место соотношение: Е20 = 1,35 Е2К. 36


Регулированием тока возбуждения двигателя М2 можно формировать его ЭДС якоря у широком диапазоне величин. Тогда каждая ія величина ЭДС якоря будет обусловливать соответствующую величину скольжения и скорости холостого хода двигателя М1:

ω = ω (1 − Е Е

ЯКі

),

(1.37)

М ≈ Е ( − ), ωR s s

(1.38)

0

2

20

0

0

ЕК

На рис. 1.20, а приведена совокупность механических характеристик асинхронного двигателя при его работе в составе АМВК, из которой следует, что с увеличением ЭДС якоря двигателя М2, воздействующей на роторную цепь двигателя М1, угловая скорость последнего имеет тенденцию к уменьшению. Несколько уменьшенная жёсткость искусственных механических характеристик двигателя М1 в сравнении с его естественной механической характеристикой обусловлена наличием незначительных активных сопротивлений в цепи ротора, создаваемых шинами (проводниками) присоединения выпрямителя (В), его диодами в проводящем состоянии, обмоткой якоря двигателя М2. ω

Естественная механическая характеристика

ЕЯК1

ω

Естественная механическая характеристика

ЕЯК2 > ЕЯК1

ЕЯК3 > ЕЯК2

M 0

M

б

а

Мmax

Мк

Рисунок 1.20 – Механические характеристики асинхронного двигателя с фазним ротором при регулировании угловой скорости асинхронным машиновентильным (а) и асинхронным вентильным (б) каскадом

Процессы в схеме асинхронного вентильного каскада (на рис. 1.19 переключатель К1 в положении «ІІ») в основном, что касается 37


регулирования скорости ротора двигателя М1, – аналогичны вышерассмотренным, однако, в отличие от АМВК, в схеме АВК дополнительная ЭДС, (Едоп), воздействующая на цепь ротора двигателя М1, создаётся не электрической машиной, а статическим силовым полупроводниковым устройством - автономным инвертором (АИ). Его тиристорами управляет система импульсно-фазового управления, создавая заданные величины углов β опережения включения тиристоров. Поэтому справедливы следующие зависимости: Едоп = ЕАІ0 cos β

(1.39)

s0 = ЕАІ0 cos β /Е20,

(1.40)

ω =ω 0i

(1 − 0

E cos β ) , E AI 0

i

(1.41)

где ЕАІ0 =2,34 ЕФТ – ЭДС холостого хода автономного инвертора (АІ) при β=0 эл. град.; ЕФТ=ЭДС фазы трансформатора TV1. На рис. 1.20, б приведены механические характеристики асинхронного двигателя при работе его в системе АВК, которые иллюстрируют характер воздействия на процессы со стороны автономного инвертора, создающего различные величины дополнительных ЭДС в обмотках ротора двигателя в зависимости от величин фазовых углов β. Таким образом, каскадные средства позволяют регулировать величину угловой скорости асинхронного двигателя в широком диапазоне, поддерживать достаточно высокий уровень жёсткости механических характеристик и отличаются возможностью возврата части энергии скольжения ротора в питающую сеть. В частности, в схеме АВК рекуперация энергии скольжения ротора двигателя М1 в питающую сеть осуществляется через мостовой выпрямитель В1, тиристоры автономного инвертора АИ1 и согласующий трансформатор TV1.

38


1.8 Электромеханические свойства синхронных двигателей Синхронный двигатель относится к классу электрических машин переменного тока, имеет статор с многополюсной трёхфазной обмоткой, однако отличается от асинхронных двигателей наличием якоря с обмоткой возбуждения, на которую подают постоянный ток. Рабочий режим этого двигателя отличается неизменной величиной угловой скорости якоря в широком диапазоне изменения момента сопротивления, приложенного к валу двигателя. Поэтому его механическая характеристика ω=f(M) представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс. Величина угловой скорости якоря определяется частотой питающей сети. Процесс пуска двигателя требует выполнения дополнительных операций, в частности, разгоняется такой двигатель, как правило, в режиме асинхронного пуска, когда обмотка возбуждения якоря остаётся подключенной на пусковой резистор RП. При достижении двигателем угловой скорости 0,95 от синхронной (точка 2), обмотку возбуждения якоря отключают от пускового резистора и подключают к источнику постоянного тока с целью ввода двигателя в синхронизм (точка 8 на рис. 1.21). Сеть

ω ω0

М1 КМ1 RП 0

М а

_

+ б

Рисунок 1.21 – Механическая характеристика (а) синхронного двигателя в процессе асинхронного пуска с введением в синхронизм и схема управления(б) асинхронным пуском синхронного двигателя

Важным параметром синхронного двигателя является его угловая характеристика М=f(Θ), где Θ – внутренний угол смещения век39


тора напряжения статора U1 относительно вектора ЭДС Е, индуктированной в обмотке статора магнитным полем ротора [1,3]. Уравнение угловой характеристики может быть найдено из анализа векторной диаграммы синхронной машины (рис. 1.22). В соответствии с этой диаграммой, U1 cos φ = E cos (φ-Θ) , cos (φ-Θ) = AB/AC = U1 sin Θ / I1XC M

C

M max ψ U1

I1XC B

Θ φ

0

-E

Рабочая часть

ψ I

A

0

Неустойчивое состояние

900

1800 Θ,0

Рисунок 1.22 – Упрощённая векторная диаграмма (а) синхронного двигателя (без учёта потерь в активном сопротивлении статора) и угловая характеристика (б) синхронного двигателя

Тогда U1 cos φ = Е U1 sin Θ / I1XC

(1.42)

Учитывая это, электромагнитная мощность синхронного двигателя равняется мощности, которая подводится; её значение с учётом (1.42) может бать определено следующим образом: P= 3 U1 I cos φ = 3EIКЗ sin Θ,

(1.43)

где IКЗ = U1 /XC - ток короткого замыкания. Тогда электромагнитный момент машины определяется как: (1.44) М = Р/ω0 = 3EIКЗ sin Θ/ ω0, 40


Таким образом, вращающий момент синхронного двигателя возникает при условии: Θ ≠ 0, его максимальное значение имеет место при Θ=900. Повышение загрузки приводит к увеличению угла Θ. При условии Θ>900 нарушается условие устойчивости работы двигателя, что обусловлено уменьшением его электромагнитного момента и вероятностью выпадения из синхронизма. 1.9 Способы торможения электродвигателей Не смотря на существенные отличия конструкций и принципа действия двигателей постоянного и переменного токов, физические процессы при создании режимов их торможения имеют ряд принципиальных аналогий между собой. Начальным состоянием любого процесса торможения является двигательный режим работы электрической машины. Признаком тормозного процесса является формирование двигателем электромагнитного момента, направление которого встречно направлению угловой скорости вала двигателя. 1.9.1 Генераторное торможение двигателей Условием перехода двигателя из двигательного состояния в режим генераторного торможения является увеличение под действием внешней силы угловой скорости вала двигателя до величины, превышающей скорость холостого хода (двигатели постоянного тока последовательного возбуждения не могут находиться в состоянии холостого хода, потому они не могут работать и в режиме генераторного торможения). Процесс перехода двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей в режим генераторного торможения иллюстрируется механическими характеристиками (рис. 1.23) и поясняется следующим Перед началом генераторного торможения двигатель постоянного тока подключен к источнику постоянного тока и развивает угловую скорость ω, меньшую, чем скорость холостого хода. Его ЭДС якоря Еяк пропорциональна угловой скорости и по величине остаётся меньшей, чем напряжение источника питания (постоянного тока). Еяк = сФω;

(1.45)

41


где с – конструктивный коэффициент, Ф – магнитный поток двигателя (постоянный при неизменной величине тока обмотки возбуждения). ω

ω

U=Eяк

U<Eяк

S=0

S<0

S>0

U>Eяк

Генераторное торможение двигателя постоянного тока

Двигательный режим Генераторное торможение асинхронного двигателя

Двигательный режим

0

M

0

Іяк

а

M б

Рисунок 1.23 – Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения (а) и асинхронного двигателя (б) в процессе перехода с двигательного режима в режим генераторного торможения

При условии повышения угловой скорости якоря двигателя до величины, превышающей скорость холостого хода ЭДС якоря, соответственно, повышается и становится большей, чем напряжение источника питания. Двигатель превращается в электрическую машину. генерирующую энергию постоянного тока в питающую сеть, а ток якоря изменяет своё направление. В формуле электромеханической характеристики двигателя следует учитывать этот ток со знаком «минус»: ω=

U − І як ∑ R − , сФ сФ

(1.46)

где ΣR – совокупность активных сопротивлений элементов, входящих в состав цепи якоря двигателя. Графической интерпретацией этого состояния является продолжение механической характеристики двигателя во второй квадрант (рис. 1.23, а). По аналогии с вышеизложенным, в режим генераторного торможения переходит асинхронный двигатель, подключенный к электросети при условии повышения (под действием внешней силы) уг42


ловой скорости ω ротора до величины, превышающей скорость холостого хода ω0. При условии, когда ω > ω0, скольжение s ротора асинхронного двигателя становится меньшим нуля: s = (ω0 – ω)/ ω0;

(1.47)

Это необходимо учитывать в формуле механической характеристики двигателя. Графическая интерпретация этого состояния приведена на рис. 1.23, б и состоит в продолжении механической характеристики асинхронного двигателя из первого квадранта (двигательное состояние) во второй квадрант. 1.9.2 Торможение двигателей противовключением Торможение двигателя противовключением может быть применено как для экстренной остановки привода в случае появления опасности аварии, так и в качестве рабочего торможения привода. Признаком этого режима является то, что в момент снижения угловой скорости двигателя до нуля этот двигатель необходимо отключить от питающей сети, поскольку в противном случае начнётся его разгон в обратном направлении. Этот режим торможения может быть реализован как для двигателей постоянного тока, так и для асинхронных путём реверса включенного в сеть двигателя (рис. 1.24). трёхфазная сеть

_

+

КМ КМ1

М

ОВ

КМ2

М б

а

Рисунок 1.24 - Силовые схемы реверсирования двигателей постоянного тока (а) и асинхронного двигателя (б) 43


В этом случае двигатель перейдёт с характеристики 1 двигательного состояния (рис. 1.25) на продолжение характеристики, которая соответствует вращению вала двигателя в обратном направлении (характеристика 2 во 2-м квадранте). С целью снижения динамических и токовых перегрузок двигателя постоянного тока целесообразно вместе с реверсом вводить сопротивление в цепь якоря, создавая условия перехода его с характеристики 1 на характеристику 3 (с рабочей точки «А» в точку «В»). В дальнейшем будет иметь место уменьшение угловой скорости двигателя (переход из точки «В» к точке «С» нулевой скорости). В случае неотключения двигателя от сети в дальнейшем произойдёт его разгон в обратном направлении в соответствии со схемой подключения – по характеристике 2 или 3. Существует иной способ создания режима торможения противовключением, который распространяется на двигатели постоянного тока и на асинхронные двигатели с фазным ротором при условии, что момент сопротивления, приложенный к валу двигателя, способен оказать воздействие на направление вращения вала двигателя. Реалиω Торможение противовключением двигателя постоянного ω тока

В

А

В 3

Двигательный режим С

0

Двигательный режим

Торможение противовключением асинхронного двигателя 2

1

1

А

С M

Іяк

2

0

M

б

а

Рисунок 1.25 – Механические характеристики двигателя постоянного тока (а) и асинхронного двигателя (б) в процессе перехода с двигательного режима в режим торможения противовключением (реверс работающего двигателя) 44


зация этого способа 1 1 состоит в подключеА А В В нии в силовую схему двигателя (якорь дви2 2 гателя постоянного тока, либо ротор асинхронного двигателя) С С значительного по ве0 0 личине активного соMоп М Mоп М противления. В результате, механическая а D D характеристика двигаб теля преобразуется с естественной (1) в исРисунок 1.26 – Механические характеристики кусственную (2), в содвигателя постоянного тока (а) и асинхронответствии с рис. 1.26. ного двигателя (б) в процессе перехода с двиЭто обусловливает пегательного режима в режим торможения прореход двигателя с ративовключением (подключение дополнибочей точки «А» хательного активного сопротивления в цепь якоря (двигатель постоянного тока) или роторактеристики 1 в точку ра (асинхронный двигатель) «В» характеристики 2. Однако, в этой точке двигатель будет развивать электромагнитный момент, меньший, чем момент сопротивления (Мс) и, в соответствии с основным уравнением электропривода, начнётся уменьшение угловой скорости двигателя. В точке «С» характеристики 2 угловая скорость двигателя будет равна нулю, однако момент, развиваемый двигателем, останется меньшим момента сопротивления. Поэтому, в случае, если в этой точке двигатель не будет отключен от питающей электросети, а момент сопротивления будет активным, в дальнейшем начнётся вращение вала двигателя под. действием момента сопротивления в обратном направлении, пока не будет достигнута точка «D» механической характеристики 2. В этой точке возобновится устойчивое состояние работы двигателя, поскольку момент сопротивления сравняется с его электромагнитным моментом. Таким образом, рассмотренный процесс имеет все внешние признаки режима торможения противовключением. ω

ω

45


1.9.3 Динамическое торможение двигателей Динамическое торможение двигателей является одним из самих распространённых видов торможения и применяется для управления процессом остановки электроприводов. Применительно к двигателям постоянного тока этот режим создаётся отключением якоря двигателя от источника постоянного тока и подключения к этому якорю тормозного резистора Rт (рис. 1.27, а). Поскольку перед началом торможения двигатель находился в двигательном режиме, его ЭДС якоря Еяк имела потенциал, соответствующий угловой скорости якоря. Именно она при подключении к якорю тормозного резистора создаёт в нём тормозной ток Іт, направленный встречно по отношению к току предыдущего (двигательного) режима Іяк. Іт = Еяк / (Rяк +Rт)

+

3-фазная сеть

_

Іт

(1.48)

КВ _

КМ КМ1

М Іяк

Еяк

+

КМ2

ОВ

а

б

М Рисунок 1.27 - Силовые схемы переключения двигателей в режим динамического торможения: а - двигатель постоянного тока; б - асинхронный двигатель

Механическая характеристика двигателя постоянного тока в режиме динамического торможения (рис. 1.28, а) определяется выражением: ω = Іт (Rяк +Rт) / сФ

46

(1.49)


ω В

А

ω

1 3

Rт2>Rт1

Rт1

4

0

В 2

0

Іт ;Іяк;М

1

А

М

Рисунок 1.28 – Механические характеристики двигателя постоянного тока (а) и асинхронного двигателя (б) в процессе перехода с двигательного режима в режим динамического торможения 1 – естественные механические характеристики; 2-4 – характеристики динамического торможения асинхронного двигателя; 2 - дополнительное сопротивление ротора rr1; тормозной ток Iг1 ;3 - rr2 > rr1; тормозной ток Iг1; 4 – дополни-тельное сопротивление ротора rr1 ; тормозной ток Iг2 > Iг1

Для переключения асинхронного двигателя из двигательного состояния в режим динамического торможения следует отключить его статор от трёхфазной сети электропитания и подключить две фазы к источнику постоянного стока (например, к выходу управляемого выпрямителя УВ). В этом случае постоянный ток создаёт неподвижное поле, основная волна которого создаёт синусоидальное распределение индукции. Во вращающемся роторе возникает переменный ток, создающий магнитное поле, так же неподвижное относительно статора. В результате взаимодействия суммарного магнитного потока с током ротора возникает тормозной момент, который является функцией магнитодвижущей силы статора, сопротивления ротора и угловой скорости двигателя [3]. Критический тормозной момент Мкт пропорционален квадрату эквивалентного тормозного тока Іэкв двигателя:

Мкг =

2 х μ2 3І екв

2ω 0 ( х μ + х2' )

,

(1.50)

где ω0 - синхронная частота вращения ротора АД; Хμ = Е’20/Іμ реактивность намагничивания; Х’2 - приведенное индуктивное сопро47


тивление ротора АД.; Е’20 – приведенная вторичная ЭДС при синхронной угловой скорости ротора; Іμ – намагничивающий ток. 1.9.4 Принцип индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя Эффективность процесса динамического торможения асинхронного двигателя в значительной степени определяется величиной постоянного (выпрямленного) тока в фазах его статора. С другой стороны. величина этого тока обусловлена напряжением, подведенным к статору и величиной ЭДС вращения, индуктируемой в обмотках статора вращающимся полем токов ротора. В случае, если полярность ЭДС вращения будет совпадать с полярностью приложенного напряжения, её действие будет направлено на уменьшение величины тормозного тока. Это будет определяться разностью потенциалов мгновенных значений подведенного напряжения и ЭДС вращения, и приводить к уменьшению интенсивности торможения двигателя. Таким образом, эффективное динамическое торможение асинхронного двигателя может происходить при условии отсутствия в его статорных обмотках обратной ЭДС вращения. Эффективность способа индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя состоит в устранении упомянутой ЭДС вращения (в начале тормозного процесса), при котором создаются значительные по амплитуде импульсы тормозного тока. В горной промышленности режим индукционно-динамического торможения применяется для плавной остановки электроприводов бремсберговых ленточных конвейеров, экстренной остановки электроприводов некоторых других горных машин. Процесс индукционно-динамического торможения создаётся силовой тиристорной схемой в цепи статора асинхронного двигателя в соответствии с рис. 1.29 и предусматривает чередование состояний динамического (ДТ), индукционного (ИТ) и, собственно, индукционно-динамического (ИДТ) торможения двигателя [8].

48


Рисунок 1.29 – Расчётная схема для исследования процесса индукционнодинамического торможения асинхронного двигателя

uAB; eв ; iТ

Im ИДТmax

0,02c

Im ДТвст

Im ИТmax іГ

u

Im ДТ Im ИТ

u ев

UmAB t

0 α

Рисунок 1.30 – Диаграммы формирования тока статора асинхронного двигателя в процессе его индукционно-динамического торможения

Ток динамического торможения создаётся посредством подачи на статор через тиристоры VS1 и VS2 полуволн линейного напряжения UАВ сети. Эффект индукционного торможения создаётся при замыкании через тиристор VS3 ЭДС вращения (eв) ротора АД: 49


e = (1 / 3 )p ω (L (2 i ( в

s k +1)

0

b

)

(

+ i sk + Lr 2 i r (k +1) + i rk

))

,

(1.51)

где p – число пар полюсов асинхронного двигателя; is; ir – токи статора и ротора; L0 – индуктивность главного магнитного поля в расчёте на фазу асинхронного двигателя. Процесс индукционно-динамического торможения иллюстрируется диаграммами соответствующих параметров асинхронного двигателя и питающей сети (рис. 1.30). На интервалах динамического торможения полярности uAB и eв одинаковы. При этом uAB >eв . Начало ДТ определяется углом отпирания α тиристоров VS1 и VS, а окончание – углом их проводимости β. Тормозной ток i определяется разностью между мгновенными значениями uAB и eв .

i r + L di / dt = u T

H

H

T

AB

− eоб ( AB ) ;

(1.52)

где rн; Lн – общие активное сопротивление и индуктивность цепи протекания тормозного тока. На интервале ИТ тиристор VS3 находится в проводящем состоянии, в то время, как тиристоры VS1 и VS2 – в непроводящем. Величина тормозного тока iТ определяется мгновенными значениями ЭДС вращения двигателя (eв ).

i r + L di / dt = e T

H

H

T

в ( AB )

;

(1.53)

На каждом из интервалов ДТ и ИТ величина ЭДС вращения определяется соответствующими её амплитудой (Ев mi) и начальной фазой ( γ ):

E = I r ((1 − s ) / s ) ; eвi = E вmi sin (ω bi t + γ ), в

'

'

r

r

(1.54) (1.55)

где ω bi = ω 0 (1 − s ) - угловая частота ЭДС вращения, соответствующая i-му интервалу торможения, уменьшается в пределе - до нуля. По мере снижения угловой скорости асинхронного двигателя уменьшаются амплитуда и частота его ЭДС вращения, и наступает состояние, когда полярности uAB и eв будут различными. В этом слу50


чае тиристоры VS1; VS2; VS3 будут находиться в открытом состоянии, а тормозной ток двигателя iТ будет определяться суммой абсолютных величин мгновенных значений uAB и eв (интервал ИДТ):

i r + L di / dt = u T

H

H

T

AB

+ eв ( AB ) .

(1.56)

Выражения (1.52; 1.53; 1.56) решаются поэтапно, в порядке появления интервалов с характерными, рассмотренными выше состояниями торможения. При этом учитываются соответствующие начальные условия, величина и частота ЭДС вращения асинхронного двигателя. Их решением является следующее выражение:

i (t ) = e

tK ⎞ t /T H ⎛⎜ −t / C + ∫ (u (t ) / L H )e T H dt ⎟ ; ⎜ ⎟ tп ⎝ ⎠

T

(1.57)

где tп; tк – моменты начала и окончания соответствующего интервала торможения, С=u(tн)/zн; ТН – постоянная времени обмоток ротора двигателя (Тн= Lн/rн) При отсутствии тока через VS1 и VS2 ток в тиристоре VSЗ определяется величиной ЭДС самоиндукции асинхронного двигателя:

iТ (t ) = iT (t пі )e −t /Tн ,

(1.58)

где tпі - момент начала упомянутого выше і-го состояния. Тормозной ток существенно зависит от величин улов α отпирания тиристоров VS1; VS2. Его величина определяет уровень тормозного момента (МТ), влияющего на интенсивность торможения двигателя:

М

Т

2i Г2 r21 = , ω0 S нач

(1.59)

где ω0 и Sнач – соответственно, синхронная частота вращения ротора асинхронного двигателя и его скольжение в начале ИДТ. − t /T ( ) = t i i e Т

Тнач

Н

;

(1.60) 51


где iТ нач– начальная величина тормозного тока соответствующего интервала. По окончании гашения обратной ЭДС вращения асинхронного двигателя его тормозной ток будет определяться только проводящим состоянием тиристоров VS1; VS2 с учётом угла α их фазового регулирования. Техническая реализация рассмотренного принципа применена в аппарате управления торможением электропривода горной машины АТЭМ (рис. 1.31) [9]. В этом аппарате предусмотрены фиксированные уставки продолжительности торможения электропривода скребкового конвейера: 0,15 с; 0,5 с; 0,8 с; электропривода ленточного конвейера: 16 с; 32 с.; 64 с. В процессе работы команда на торможение асинхронного двигателя электропривода формируется при отключении основного контактора КМ1. В этом случае схема аппарата реализует следующий алгоритм: - включение контактора КМ2 цепи торможения; - определение отсутствия тока в силовой цепи контактора КМ1 (задействованы датчики тока ТА1 и ТА2, блок реле БР1); - формирование временной задержки на начало торможения и дальнейшее отпирание тиристоров VS1 и VS2 с заданными величинами фазовых улов α отпирания.

Рисунок 1.31 –Структурная схема аппарата АТЭМ

52


Задержка времени на начало процесса индукционнодинамеического торможения необходима для исключения условий создания цепи короткого замыкания в случае отпирания тиристора VS2 при налички тока в цепи контактора КМ1. Функция создания фазовых улов α отпирания тиристоров VS1 и VS2 выполняется совместной работой блока синхронизации (БС) схемы фазового управления с фазными напряжениями сети и блоков управления БУ1 и БУ2. Формирование импульсов, которые непосредственно поступают на цепи управления тиристоров производится блоками формирования импульсов (БФІ1 и БФІ2). Эти же блоки реализуют функцию гальванической развязки силовых цепей электропитания приводного двигателя и цепей блоков управления. Режим индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя реализуется так же схемой аппарата АПМ-1 (рис. 1.32) при управлении снижением скорости рабочего органа привода ленточного бремсбергового конвейера перед наложением механических тормозов [10]. Вход

VS1

VS2

VS3

VS4 VS5

VS6

ТРН

VS7

КМ1 Выход

Рисунок 1.32 – Силовая схема аппарата АПМ-1: ТРН – тиристорний регулятор напряжения; КМ1 – шунтирующий контактор

Торможение начинается с отключения всех тиристоров регулятора напряжения ТРН и, в дальнейшем, обеспечивается проводящим состоянием тиристоров VS2; VS32; VS7, при этом, последний включают при условии отсутствия тока в тиристорах VS1 и VS4. 53


1.10 Принципы построения систем управления электроприводами Для управления скоростными режимами электроприводов применяют как разомкнутые, так и замкнутые системы автоматического управления (САУ). Разомкнутые САУ реализуют заранее заданный алгоритм воздействия на объект регулирования без учёта его параметров (состояния) на момент формирования управляющего воздействия. Примером такой САУ является устройство автоматического управления пуском асинхронного двигателя с фазным ротором путём переключення роторных резисторов в функции продолжительности разгона в соответствии со схемой (рис. 1.16). Переключение групп роторных резисторов происходит в заранее определённые интервалы времени путём поэтапного включения контакторов в порядке: КМ1КМ2-КМ3, которые выводят из работы группы дополнительных роторных резисторов, соответственно, Rдоп1-Rдоп2-Rдоп3. Траектория изменения величины угловой скорости ротора двигателя и его электромагнитного момента (рис. 1.33) представляет собой экспоненту с постоянной времени, определяемой параметрами привода, включая величину роторного сопротивления:

ω M

= ω Кі +

)

−t

− нач _ і ω Кі eT Mi ;

(1.61)

= M Кі + (M 1 − M Кі )eT Msi ; −t

ТМі = Jω0sНі,

(1.62) (1.63)

где ωКі; МКі – соответственно, конечные значения угловой скорости и момента двигателя при его роботе на соответствующей і-й механической характеристике в точке номинального момента нагружения (МН); ωначі – начальное значение угловой скорости двигателя при его работе на і-й механической характеристике в точке момента переключения М1; sНі – скольжение двигателя при номинальном моменте нагружения и работе на соответствующей і-й механической характеристике; J- момент инерции привода. Учитывая выражения (1.61) – (1.63), расчётные интервалы времени tPi работы двигателя на искусственных механических характеристиках определяются в соответствии с зависимостями: 54


t Рі = T Mi ln

ω −ω ; ω − (ω начі + Δω і) Ki

(1.64)

начi

Rs

где Δωі – приращение скорости при работе двигателя на і-й искусственной механической характеристике на интервале перехода от момента М1 к моменту М2. М М1 Μ=f(t)

М2

ω

а

ω0

b

ЕМХ 1 ωH ω3 ω2 2

c e

d

ω1

ω=f(t)

ω1 3

f

М

0

МН М2

0

t1

t2

t3

t

М1 МК

б

а

Рисунок 1.33 – Механические характеристики асинхронного двигателя (а) и диаграммы изменения его момента и угловой скорости во времени (б) при реостатном пуске

Несмотря на простоту реализации, этому способу присущи определённые недостатки, которые выражены в невозможности стабилизации диаграммы фактической угловой скорости двигателя при колебаниях момента сопротивления. Так, при повышенном моменте сопротивления (в сравнении с расчётным) процесс разгона будет замедлен, и двигатель не будет успевать в течение расчётного времени tPi повышать на расчётную величину Δωi свою угловую скорость. В случае, если к валу двигателя будет приложен момент сопротивления (Мс), меньший расчётного, то двигатель за расчётное время tPi повы55


сит свою угловую скорость на величину, превышающую расчётное значение. Δωi, и даже сможет достичь состояния устойчивого равновесия, когда электромагнитный момент его при работе на і-й искусственной механической характеристике, будет уравновешен моментом сопротивления. Стабилизация диаграммы фактической угловой скорости двигателя при неустойчивом моменте сопротивления может быть достигнута путём применения замкнутых систем автоматического управления (САУ) приводом. На рис. 1.34 приведена функциональная схема простейшей – одноконтурной САУ, которая относится к следящим системам с пропорциональным управлением и, как правило, применяется для обеспечения управляемого разгона электропривода с поддержанием соответствия его фактической скорости величине заданной скорости в условиях колебаний момента сопротивления, в сервоприводах перемещения исполнительного органа в соответствии с диаграммами изменений управляющего сигнала и т.п. Структура САУ следящим электроприводом составлена из соединённых последовательно узла сравнения (УС), согласующеусиливающего узла (СУУ), регулятора (Р), и двигателя (Д). Рассмотрим пример, где параметром управления является фактическое угловое перемещение Θф вала рабочего органа привода (например, моторредуктора), величина которого измеряется соответствующим датчиком параметра управления (ДПУ). Выходной величиной этого датчика является пропорциональное напряжение Uф = k1 Θф, сравниваемое в УС с напряжением Uз = k1Θз , пропорциональным заданному параметру перемещения. Выходное напряжение УС Uу = k1ΔΘ пропорционально величине рассогласования ΔΘ между заданной и фактической величинами перемещения (Θз и Θф), где k1 – коэффициент пропорциональности.

56


УС Uз =k1ωз

Uу = k1Δω Р

СУУ

_

Uф = k1ωф

Д

ωф

ДПУ

Рисунок 1.34 – Функциональная схема электропривода с одноконтурной, замкнутой по параметру регулирования (nф) системой автоматического управления

Передаточный коэффициент всей электромеханической системы представляет собой произведение нескольких коэффициентов: пропорциональности: k1 усиления kу (СУУ) и передаточных коэффициентов: двигателя kД и регулятора kР. k = k1 kу kД kР ;

(1.65)

Коэффициент демпфирования F системы определяется совокупностью параметров жёсткости β механической характеристики двигателя (отношением диапазона колебания электромагнитного момента двигателя к соответствующему диапазону колебания его угловой скорости и коэффициента трения (f) [1]. F= β +f;

(1.66)

Постоянная времени электромеханической системы обусловлена величиной момента инерции J привода и определяется выражением: Т = 2J/ F;

(1.67)

С учётом (1.65–1.67), величина рассогласования ΔΘ фактического Θф и заданного Θз параметров управления определяется из выражения [1]: ΔΘ =

F Ωз −Tt ( F ) 2 (1 + q2 2) − 2 kF + 2 sin(qt +ψ ) + T k Ωз kq e T T k

q

=

k F − ( )2 J 2J

;

; (1.69)

57

(1.68)


tgψ =

qTF , F − kT

(1.70)

где Ωз = dΘз /dt – скорость изменения заданного параметра регулирования (заданной скорости привода). Из анализа (1.68) можно сделать вывод о том, что при мгновенном возникновении сигнала задания (Θз) параметра регулирования (изменяющегося по скорости Ωз), величина фактического параметра (Θф) начинает изменяться по соответствующей траектории движения с определёнными колебаниями, уменьшающимися по амплитуде с постоянной времени привода (Т). В дальнейшем рабочий орган привода будет двигаться со скоростью, которая определяется параметром задания Θ з = f(t) при рассогласовании ΔΘ:

Θ з; Θф

F . k Ωз

(1.71) Амплитуда рассогласования ΔΘ оценивается коэффициентом успокоения λ следящей системы:

ΔΘ

ΔΘ =

λ=

Θ з = f(t) Θф = f(t)

0

t Рисунок 1.35 – График процесса управления перемещением рабочего органа следящего электропривода при применении одноконтурной САУ 58

F 2 kJ

,

(1.72)

При выполнении управляемого пуска электропривода в соответствии с заданной диаграммой скорости двигателя подобная одноконтурная система автоматического управления осуществляет управляющую функцию применительно к двигателю в зависимости от величины и знака рассогласования фактической


и заданной угловой скорости. В этом случае возможны скачкообразные воздействия на объект управления по отклонению его фактической скорости от заданной как в большую, так и в меньшую сторону. Точность поддержания заданного графика скорости в значительной степени обеспечивается за счёт минимизации постоянных времени датчика параметра управления (в данном случае – датчика скорости), согласующе-усилительного узла и регулятора. Этот принцип может быть реализован электроприводом с асинхронным двигателем при применении тиристорного регулятора напряжения (схема на тиристорах VS1-VS6, рис. 1.32) в цепи его статора и характеризуется совокупностью механических характеристик (рис. 1.17). Система автоматического управления, замкнутая по параметру скорости привода, способна поддерживать угловую скорость двигателя на заданном уровне в диапазоне от нуля до номинальной путём коррекции управляющего воздействия на двигатель в функции отклонения фактической скорости от заданной. Однако, при работе на угловых скоростях, меньших номинальной, двигатель потребляет повышенный ток (1.21), который может многократно превышать номинальную величину (рис. 1.12). Поэтому данный принцип управления применяют исключительно для реализации плавного пуска асинхронного двигателя при условии выполнения заданной диаграммы скорости с последующим контакторным шунтированием (контактор КМ1, рис. 1.32) фаз тиристорного регулятора напряжения. Преимуществом схемотехники реализации этого принципа является упрощённая схема преобразователя (ТРН выполнен на 6-и силовых тиристорах), что существенно упрощает задачу обеспечения приемлемого теплового режима преобразователя при размещении его во взрывозащищённой рудничной оболочке. Улучшенными функциональными свойствами обладает многоконтурная система подчинённого автоматического регулирования электропривода. Такая система содержит определённое количество контуров в соответствии с количеством регулируемых переменных. На входе каждого контура производится сравнение заданного сигнала с фактическим значением выходной координаты данного контура. Выходной параметр соответствующего контура является заданием для последующего (внутреннего) контура. Таким образом, все внутренние контуры функционируют как подчинённые общей задаче регулирования величины выходного параметра системы. 59


Обобщённая структурная схема системы подчинённого регулирования (рис. 1.36) предусматривает, что каждый её контур может быть представлен двумя составляющими: регулятором Wpег2 и объектом регулирования W’об. Непосредственно объект регулирования включает в себя выходное звено данного контура, т.е., собственно, объект Wоб2 и замкнутый контур регулирования Wз1, внутренний по отношению к рассматриваемому контуру. Расчёт системы подчинённого регулирования состоит в выборе типов регуляторов и определении их параметров и выполняется последовательной оптимизацией отдельных контуров, начиная с внутреннего. Оптимизация замкнутого контура считается достигнутой, если переходный процесс регулируемой величины при скачкообразном воздействии не будет зависеть от параметров объекта управления и цепи обратной связи. Это может быть достигнуто в случае, если регулятор контура будет иметь передаточную функцию, обратную относительно передаточной функции объекта и цепи обратной связи [11]. При расчёте системы подчинённого регулирования некомпенсируемые постоянные времени вводят непосредственно во внутренний контур регулирования. Тогда, в случае, если объектом регулирования внутреннего контура является апериодическое звено, передаточная функция объекта внутреннего оптимизируемого контура будет определяться выражением: Wоб 1 (р) = Wоб к (р) / (Тμр+1);

(1.70)

где Wоб к (р) - передаточная функция звена, действие которого компенсируется регулятором данного контура; Тμ- эквивалентная малая постоянная времени, не компенсируемая регулятором. Передаточная функция регулятора: Wрег1 (р) = 1 / (Wоб к (р) а1Тμр);

(1.71)

где а1 – коэффициент настройки первого контура, определяющий степень его демпфирования.

60


W’об2 Wз1 Хз1

Хз2 Wpег2

_

Х1 Wpег1

Wоб1

Х2 Wоб2

_

Рисунок 1.36 – Обобщённая структурная схема системы подчинённого регулирования

В соответствии с (1.70) и (1.71), передаточные функции разомкнутого и замкнутого оптимизированных контуров определяются выражениями: Wроз1 (р) = Wрег1 (р) Wоб 1 (р) =1/( а1Тμр(Тμр+1)); (1.72) Wз1(р)= Х1(р)/Хз1(р) = Wроз1(р)/(1+Wроз1(р)) =1/(а1Тμр(Тμр+1)+1). (1.73) В дальнейшем, при оптимизации внешнего контура определяется передаточная функция его объекта регулирования. Она соответствует последовательно соединённым замкнутому внутреннему контуру и, собственно, объекту управления внешнего контура: W’об2(р) = Wз1(р) Wоб2(р).

(1.74)

В данном объекте компенсации подлежит постоянная времени, собственно, объекта управления Wоб2(р), а передаточная функция, инерционность которой не компенсируется, будет равна передаточной функции оптимизированного внутреннего замкнутого контура Wз1(р) без учёта слагаемого при р2 в знаменателе (1.73). Регулятор для объекта по (1.74) определяется аналогично внутреннему контуру в соответствии с выражением (1.71):

61


Wрег2 (р) = 1/(Wоб2(р) а1 а2Тμр),

(1.75).

Передаточные функции разомкнутого и замкнутого внешних контуров, соответственно, равны: Wроз2 (р) = Wрег2 (р) W’об 2 (р) = 1/ (а1 а2Тμр(а1Тμр(Тμр+1)+1)), Wз2(р)= Х2(р)/Хз2(р) = Wроз2(р)/(1+Wроз2(р)).

(1.76) (1.77).

Изменяя в выражениях (1.73) и (1.77) коэффициенты настройки контуров а1 и а2, можно получить разнообразные переходные процессы, в т.ч., неустойчивые (колебательные). Практическую актуальность представляет получение технически оптимального переходного процесса, который характеризуется определённой продолжительностью при не превышении перерегулированием 4÷10%. Примером технической реализации системы подчинённого регулирования является электропривод постоянного тока системы „тиристорный регулятор – двигатель” (управляемый выпрямитель – двигатель) с автоматической системой поддержания заданного параметра скорости, построенной из двух контуров – внешнего контура скорости и внутреннего контура тока (рис. 1.37). В цепи якоря двигателя М1 предусмотрены управляемые выпрямители УВ1 и УВ2) для обеспечения движения якоря двигателя в прямом и обратном направлении. Выходное напряжение этих выпрямителей регулируется в полном диапазоне соответствующими системами импульсно-фазового управления (СИФУ1 и СИФУ2) по командам с выхода регулятора тока (РТ). Параметр заданного тока определяется параметром регулятора скорости (РС), на который подаётся сигнал управления с выхода задатчика интенсивности изменения скорости (ЗС). Обратная связь по току снимается с выхода блока датчиков тока (ДС), предусмотренных во входной силовой цепи переменного тока выпрямителей. В этом случае могут быть использованы трансформаторы тока в качестве датчиков, что упрощает гальваническую развязку системы управления и силовой цепи электропривода. Функциональный узел ДТ может быть включен непосредственно в цепь якоря двигателя М1. Однако, в этом случае будет иметь место определение величины постоянного тока якоря, т.е., становится невозможным применение трансформатора тока в качестве ДТ. Для измерения по62


стоянного тока потребуется шунт, что создаёт трудности в дальнейшем использовании его крайне малого по величине аналогового сигнала с учётом необходимости гальванической развязки системы управления от напряжения силовой цепи якоря двигателя М1. Эта обратная связь по току поступает на вход регулятора тока РТ. В качестве датчика скорости может быть использован, в частности, тахогенератор (BR), выходной сигнал которого сравнивается с напряжением, пропорциональным заданному значению скорости на входе регулятора скорости (РС). Ограничение тока якоря осуществляется стабилитронами VD1; VD2 в цепи обратной связи РС. В соответствии с конфигурацией схемы, регулятор тока выполнен как пропорционально-интегральный (ПИ-регулятор). Его передаточная функция определяется выражением: (1.78) Wрс(р)= RЯ(TЯ p+1) / (aС Тμр k1k2). Техническим решением относительно реализации ПИрегулятора может быть операционный усилитель с ёмкостной обратной связью (в соответствии со схемой, рис. 1.37): Параметры регулятора тока определяют из соотношений: ТРТ = C1R2 ; ТІР = C1R5 = aС Тμ k1k2 / RЯ ; k1 = R5/R1

(1.79) (1.80) (1.81)

где ТРТ – постоянная времени РТ; ТІР - постоянная времени интегрирующего регулятора; k1 - передаточный коэффициент ДТ с учётом коэффициента усиления его выходного сигнала (в случае необходимости усиления); k2 - коэффициент усиления тиристорного преобразователя (управляемого выпрямителя). RЯ – сопротивление якоря двигателя М1; aС - параметр настройки контура тока. Wрс(р)= (1+C1R2p)/ (C1R5p),

(1.82)

С учётом выражений (1.81) и (1.82) может быть найдена величина сопротивления R1 при условии принятия определённой величины ёмкости конденсатора С1: R1 = k1k2 aС Тμ / (RЯ C1). 63

(1.83)


Электрическая сеть TV1

R1

ДТ C1

R2

УВ1

СИФУ1

ЗС

_

РТ

+

СИФУ2 R3

РС

_

+

R4 VD1

УВ2

M1 VD2

R5 BR

R6

ОВ

Рисунок 1.37 – Схема системы подчинённого регулирования электроприводом постоянного тока „тиристорный преобразователь – двигатель” (управляемый выпрямитель - двигатель)

Сопротивление R5 определяют из условия ограничения тока двигателя соответствующим ограничением выходного напряжения UЗС max РС: UЗС max = k1IЯmax,

(1.84) 64


где IЯmax – ток максимально допустимой рабочей перегрузки двигателя М1. Из (1.82) и (1.84) может быть найдено сопротивление: R5 = R1 UЗС max / k1IЯmax.

(1.85)

Регулятор скорости (РС) выполняют по схеме пропорционального регулятора (П-регулятора) на основе операционного усилителя: Wрш(р)= k1 ТM сД / (aС aш Тμ RЯ kс ) = R4/R3

(1.86)

где сД – конструктивная постоянная времени двигателя; ТM – электромеханическая постоянная времени системы; kс – коэффициент обратной связи по скорости: kс = kТГ R3/R6 ; R3/R6 = Uзс max / kТГωз max

(1.87) (1.88)

где kТГ=(UТГ /ω) – передаточный коэффициент тахогенератора, UТГ – напряжение выхода тахогенератора; ωз max – максимальное значение заданной угловой скорости вала двигателя М1; Uзс max – выходное напряжение задатчика скорости, соответствующее величине ωз max. При определении параметров П-регулятора скорости один из параметров в (1.86); (1.87), как правило, задаётся. В рассматриваемой схеме рассогласование фактической и заданной скорости двигателя будет отработано как скачкообразный выходной сигнал РС, соответствующей амплитуды. Эта амплитуда определяет скорость изменения заданного параметра тока двигателя, что приведёт к соответствующей отработке тиристорным выпрямителем путём изменения выходного напряжения последнего (напряжения питания двигателя). Это управляющее воздействие будет происходить в функции рассогласования фактического тока двигателя с заданной величиной и будет прекращаться при равенстве фактического и заданного токов двигателя. В случае равенства заданной и фактической скорости двигателя команда на задание тока двигателя будет равна «нулю». Таким образом, применение двухконтурной системы подчинённого регулирования с внутренним контуром тока характеризуется минимизацией энергопотребления и отсутствием динамических воздействий на объект управления. 65


1.11 Средства управления скоростными режимами электродвигателей 1.11.1 Системы импульсно-фазового управления Тиристорная преобразовательная техника занимает одну из лидирующих позиций в системах регулирования параметров электроприводов. В зависимости от структуры силовой схемы и алгоритма управления тиристорами маловентильные преобразовательные устройства могут выполнять функции управляемых выпрямителей или регуляторов напряжения промышленной частоты. В обоих случаях работа схемы позволяет изменять выходное напряжение по величине в полном диапазоне, начиная с нуля. Изменение величины напряжения, подводимого к двигателю, в этом случае обеспечивает возможность регулирования скорости якоря двигателя постоянного тока, либо изменение электромагнитного момента асинхронного двигателя. Непосредственное регулирование параметров тиристорного регулятора напряжения или тиристорного (управляемого) выпрямителя осуществляется системой импульсно-фазового управления (СИФУ). Рассмотрим работу СИФУ, начиная с анализа условий работы тиристора в схеме (рис. 1.38). Условием включения тиристора VS1 в цепи, (рис. 1.38 а), является следующее соотношение напряжений на его аноде и катоде: UA > Uк и наличие управляющего импульса на управляющем электроде (положительном относительно катода). Условием отключения тиристора является соотношение напряжений: UA < Uк , либо обесточивание его силовой (котодно-анодной) цепи. При наличии синусоидального напряжения, приложенного к силовой цепи тиристора и отсутствии импульса управления данный тиристор VS1 будет оставаться в непроводящем состоянии. Он откроется только в момент tн (рис. 138, б) появления импульса управления и будет открыт до момента tк изменения полярности анодного напряжения. Таким образом, изменяя величину фазовой задержки α подачи управляющего импульса, можно регулировать величину действующего значения напряжения на нагрузке: 1 tк 2 u dt U= ΔТ ∫t н (1.89) 66


RH

uUК

Анод

uA

уе

ωt Управляющий электрод

а

б

Катод

Рисунок 1.38 - Схема включения (а) и основные параметры (б) тиристора при регулировании напряжения на нагрузке Rн.

Промежуток времени между нулевым значением возрастающего анодного напряжения тиристора и моментом его включения (α) – это угол отпирания тиuC ристора. Промежуток времени, в тече0 ние которого тириωt стор остаётся в открытом состоянии UK1 (β) – это угол проводимости тиристора. ωt UG1 Единицами измерения этих углов являUОП UОП ются электрические t градусы или радиаUK2 ны. Система имt пульсно-фазового управления (СИФУ) Рисунок 1.39 - Диаграммы напряжений канала предназначена для СИФУ формирования углов α отпирания тиристоров регулятора напряжения. Действие СИФУ поясняется диаграммами напряжений (рис. 1.39). Каждый тиристор регулятора напряжения коммутирует полуволну напряжения соответствующей фазы и полярности. Поэтому импульсы управления, посту67


пающие на тиристоры, должны быть синхронизированы с соответствующими фазными напряжениями сети. Таким образом, на вход канала СИФУ должно подаваться напряжение UС, синхронизированное с напряжением сети. Это позволяет в дальнейшем формировать прямоугольные (UК1) и пилообразные (UG1) импульсы на интервалах существования соответствующих полуволн напряжения синхронизации. Выходные импульсы канала СИФУ формируются в результате сравнения пилообразных импульсов (UG1) с опорным напряжением Uоп при условии UG1 > Uоп. Таким образом, изменяя величину напряжения Uоп можно перемещать во времени передний фронт импульсов UК2. Эти импульсы могут быть использованы в качестве управляющих для соответствующего тиристора регулятора напряжения. В соответствии с изложенным, функциональная схема одного канала СИФУ (рис. 1.40) должна содержать синхронизирующее устройство, два компаратора К1 и К2, формирователь пилообразного напряжения G1. На выходе компаратора К2 предусмотрен усилительноразвязывающий блок (УРБ). к сети ПС

= =

G1

==

К1

УРБ

К2

Uоп

к другим каналам СИФУ Рисунок 1.40 – Структура одного канала СИФУ

Функцию сравнения напряжений в этой схеме выполняет компаратор – электронное устройство, имеющее два входа: статический и инверсный, и формирующее на выходе сигнал логической «единицы», если напряжение на статическом входе превышает величину напряжения на инверсном входе. Функцию компаратора выполняет операционный усилитель при отсутствии внешних цепей обратной связи. В качестве синхронизирующих для СИФУ наиболее широкое применение нашли трёхфазные трансформаторы напряжения (рис. 1.41), в которых выходные фазные напряжения смещены одно отно68


сительно другого на 120 ел. град. Для формирования импульсов, синхронизированных с положительными и отрицательными полуволнами каждого фазного напряжения входы компараторов смежных каналов (одной фазы) подключают к выходной фазной обмотке трансформатора в соответствии со схемой (рис. 1.41, а). Напряжение пилообразной формы может быть сформировано способами: перезаряда ёмкости переменным током прямоугольной формы, либо зарядом ёмкости через резистор от источника постоянного напряжения и последующим быстрым её разрядом. TV 1

uA Канал І

uC

uB

Канал ІІ

а

б

Компараторы

Рисунок 1.41 - Схема подключения синхронизирующего трансформатора к СИФУ (а); векторная диаграмма его выходных напряжений (б)

Усилительно-развязывающий блок (УРБ) предназначен для усиления по мощности импульсов управления, поступающих на тиристоры и гальванической развязки по напряжению силовых цепей (с тиристорами) и цепей управления (СИФУ). Распространены схемы УРБ на основе использования генератора отпирающих импульсов (ГОИ), формирующего последовательность мощных импульсов высокой частоты UГОИ. При появлении выходных импульсов СИФУ (UК2) соответствующими ключевыми транзисторами выход ГОИ присоединяется к первичным обмоткам соответствующих трансформаторов. На их выходных обмотках формируются «пакеты» импульсов UВЫХ ГОИ достаточной мощности, не имеющие гальванической святи с цепями СИФУ (рис. 1.42). При управлении преобразовательными устройствами, содержащими несколько тиристоров количество каналов СИФУ (рис. 1.40) соответствует количеству тиристоров. Все эти каналы управляются 69


одним опорным напряжением и могут иметь общие функциональные узлы (например, узел синхронизации, генератор отпирающих импульсов). UГВІ

t

UК2

t

UВЫХ

t Рисунок 1.42 - Диаграмма напряжений УРБ при формировании пакетов импульсов для отпирания тиристора

Кроме рассмотренного, существует несколько других способов реализации функции СИФУ. В частности, высокой точностью формирования фазовых углов α отпирания тиристоров отличаются цифровые микропроцессорные схемы (рис. 1.43). В такой схеме основную функцию выполняет микроконтроллер, который в соответствии с программой осуществляет отсчёт углов отпирания тиристоров (α), пропорциональных опорному напряжению Uоп. Функцию усиления и гальванической развязки выходных импульсов микроконтроллера (для управления силовыми тиристорами VS1, VS2) выполняют оптопары V1.1, V1.2, транзисторы VT1-VT4, трансформаторы TV3, TV4.

70


~220

71

Uc

Рисунок 1.43– Схема канала СИФУ, выполненного на микроконтроллере

Uк1

Uоп

Uнг


1.11.2 Управляемые выпрямители Силовые управляемые (тиристорные) выпрямители (УВ) применяются в электроприводах постоянного тока. Преимущественно в промышленности применяют трёхфазные мостовые схемы (рис. 1.44). В схеме выпрямителя тиристор, анод которого имеет наиболее высокий потенциал, включается в работу, если на его управляющий электрод будет подан импульс управления. При условии фазовой задержки α этого импульса выпрямленное напряжение Uвып понижается, а его пульсация увеличивается. Среднее значение выпрямленного напряжения составляет: Uвып = Е α о cos α ,

(1.90) (1.91)

где Е α о - максимальная величина выпрямленного напряжения (при α=00); А Е2ф – действующее В RH значение фазной С ЭДС вторичной обмотки трансформатора; m - число фаз Рисунок 1.44 – Трёхфазная мостовая схема входа выпрямителя. управляемого выпрямителя В схеме выпрямителя одновременно функционируют два тиристора на интервалах коммутации. Ток через нагрузку RH проходит последовательно через них и две фазы трансформатора под действием разности соответствующих фазных ЭДС, т.е., под действием линейной ЭДС. На протяжении периода входного переменного напряжения работают все 6 тиристоров выпрямителя. В этом случае: Е α c=1,35 Е2 π =2,34 Е2ф, (где Е2 π - действующее значение линейной ЭДС вторичных обмоток питающего трансформатора). В мостовой схеме режим непрерывного тока сохраняется при 0˚≤α≤120˚ (рис. 1.45). КВ

72


u

0

ωt

300

uвых2

0 120 0

в

t

Рисунок 1.45- Диаграмма напряжений мостового управляемого випрямителя: а – нпряжения входа; б, в – напряжения выхода при (б); = 1200 (в) ( - угол отпирания тиристора относительно линейного напряжения)

1.11.3 Преобразователи частоты со звеном постоянного тока Преобразователи частоты со звеном постоянного тока (ПЧ-ПТ) всё более широко применяются в системах электроприводов горных машин как средства, обеспечивающие продолжительную работу асинхронного двигателя при устойчивой частоте вращения ротора в диапазоне от нулевого значения до номинальной величины. Этот способ основан на свойстве асинхронной машины поддерживать угловую скорость вращающегося магнитного поля, которое формируется в магнитной системе „статор-ротор”, в строгом соответствии с частотой f напряжения, подводимого к статору. Это обусловливает соответствующий уровень частоты вращения холостого хода ω0 ротора АД : ω0 = 2πf / p (где р – число пар полюсов АД). 73


Реализация частотного способа управления угловой скоростью АД состоит в использовании полупроводникового статического устройства, преобразующего переменное напряжение сети промышленной частоты в переменное напряжение заданной частоты f и величины U . Rг L1

В

L2

БГ

АІ

L3

БВ

М ~Uпит

Uп Упр.

БУ

Iп

Рисунок 1.46 – Структурная схема частотно-управляемого электропривода

Типовая схема ПЧ-ПТ (рис. 1.46) состоит из выпрямителя В, дросселя (L) фильтра и автономного инвертора АИ. В состав схемы входят также входной и выходной фильтры присоединения (Ф1 и Ф2), блоки торможения (БТ); измерения (БИ); управления (БУ). ПЧПТ преобразует трёхфазное напряжение сети промышленной частоты (50 Гц) сначала в выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя (В), а затем в трёхфазное напряжение заданной частоты (выходное напряжение АИ). С целью обеспечения постоянства критического момента Мкр. асинхронного двигателя, подключенного к выходу ПЧПТ, выпрямитель преобразователя (при условии его построения на тиристорах) в результате фазового регулирования может изменять величину напряжения на своём выходе, что необходимо для реализации правила М.П. Костенко – U/f = const.

74


Рисунок 1.47 – Диаграммы силовых линий в магнитопроводе статора АД и распределения импульсов управления ключевых полупроводниковых элементов инвертора

С целью создания вращающегося поля в статоре АД тиристоры АИ включаются группами, например, в соответствии с диаграммой рис. 1.47 Частота переключения групп тиристоров АИ является частотой выходного напряжения преобразователя. Этот алгоритм реализует устройство управления автономным инвертором (рис. 1.48). В этом устройстве генератор тактовых импульсов (ГТИ) формирует входные импульсы Uвх регулируемой частоты f=var и подаёт их на вход кольцевого шестиканального распределителя импульсов (РИ). С появлением каждого входного импульса логическая «единица» перемещается на последующий выходной канал РИ. Расширитель импульсов (на элементах «ИЛИ» объединяет выходы каждых трёх смежных каналов РИ и, тем самым, формирует импульсы управления ключевыми полупроводниками АИ (U1 -U6) продолжительностью π рад. каждый, сдвинутые в смежных каналах на π/3 рад. (где 2π=1/f). 75


Ключевые полупроводники АИ (в соответствии с рис. 1.46 - транзисторы IGBТ) будут находиться в проводящем состоянии на интервалах существования соответствующих импульсов U1-U6. Схема АИ, выполненная на транзисторах IGBТ позвоРИ ляет получать на выходе систему трёхфазных напряжений, близких по форме к синусоиде за счёт применения широтноГТИ импульсной модуляции (ШИМ), что поясняется диаграммами (рис. 1.49) и состоит в модуляции высокочастотной (несущей) составляющей напряжения низкочастотной (выходной) составляющей. При этом, на протяжении периода выходного напряжения ТВ скважРисунок 1.48 – Упрощённая схема ность импульсов напряжения управления автономным инвертонесущей частоты изменяется ром ПЧ-ПТ по синусоидальному закону:

γ = γ m sin(2πf В + ϕ В ) ,

(1.92)

где γm- глубина модуляции; fВ; φВ - частота и начальная фаза выходного напряжения. Напряжение на выходе АИ, в свою очередь, пропорционально скважности: UB=γ Ud (где Ud – напряжение в цепи постоянного тока). Таким образом, регулируя скважность, по закону (1.103), удаётся сформировать на выходе ПЧ близкое к синусоидальному напряжение заданной частоты и амплитуды, обеспечивая выполнение закона: U/f= =const без регулирования выходного напряжения выпрямителя.

76


ПЧ-ПТ предыдущих разработок отличаются применением тиристорных ключей (VS1-VS6) в схеме автономного инвертора (рис. 1.50). В сравнении с транзисторным инвертором это является существенным недостатком, поскольку предусматривает необходимость применения коммутирующих конденсаторов (С1-С6) принудительного запирания групп тиристоров в инверторе и силовых диодов (VD1VD6) для недопущения разряда коммутирующих конденсаторов через силовые цепи статора асинхронного двигателя (нагрузки преобразователя). Это усложняет схему преобразователя, повышает её стоимость, габариты, усложняет проблематику охлаждения силовых полупроводниковых приборов, снижает надёжность преобразователя. Поэтому в большинстве своём современные схемы ПЧ-ПТ содержат автономные инверторы на транзисторах IGBТ (в соответствии с рис. 1.46). u2*(t t Тв u2(t t

u2(t t

Тн

Рисунок 1.49 - Двухполярная и однополярная широтно-импульсная модуляция выходного напряжения автономного инвертора

Назначение остальных функциональных узлов преобразователя частоты – следующее. Выходной фильтр L1 защищает сеть от вносимых работающим ПЧ высокочастотных гармоник. Промежуточный фильтр L2 сглаживает выпрямленное напряжение. Выходной фильтр L2 уменьшает количество и амплитуды высокочастотных составляющих в напряжении выхода ПЧ перед подачей на статор асинхронного двигателя. 77


Функция торможения асинхронного двигателя (подключенного к выходу ПЧ-ПТ) реализуется замыканием ЭДС этого двигателя на резистор торможения Rт через силовой транзисторный ключ VT7. Блок измерения осуществляет контроль параметров работы привода, обеспечивая необходимые обратные связи и передавая соответствующие информационные сигналы в блок управления (БУ). _

+ C1-C3

VS1-VS3

C4-C6

VD1-VD3

VD4-VD6

VS4-VS6

Выход ПЧ-ПТ

Рисунок 1.50 – Схема автономного диодно-тиристорного инвертора преобразователя частоты со звеном постоянного тока

1.12 Динамика пуска асинхронного двигателя. Методы повышения плавности разгона асинхронного двигателя 1.12.1 Динамика пуска асинхронного двигателя В преобладающем большинстве случаев пуск асинхронного двигателя производят путём непосредственного (контакторного) подключения его к питающей сети. Учитывая то, что двигатель начинает свою работу, находясь на неустойчивой механической характеристике, его разгон сопровождается повышением ускорения по мере увеличения угловой скорости (см. п.1.2, рис. 1.6, б) пока не произойдёт выход двигателя на устойчивую механическую характеристику. Само по себе, это вызывает значительные динамические перегрузки в трансмиссии любого привода, уменьшает её ресурс и сопровождается 78


рывком при страгивании с места подвижных элементов, что не безопасно для обслуживающего персонала. Однако, контакторное подключение к сети асинхронного двигателя приводит так же к возникновению в нём электромагнитного переходного процесса, сопровождаемого возникновением апериодической составляющей магнитного потока (и, соответственно, тока намагничивания) величина которой определяет начальную величину электромагнитного переходного момента [12]. Это обусловливает воздействие на формирование роторных токов двигателя, что ведёт к рассогласованию между их фактическим значением и величинами, которые они должны иметь при соответствующем скольжении Установившийся режим достигается после нескольких колебаний около положения равновесия после затухания переходных токов.

2

1

МН

МП

М

Рисунок 1.51 – Пусковая динамическая (1) и статическая (2) механические характеристики асинхронного двигателя

Таким образом, контакторный пуск асинхронного двигателя происходит по его динамической механической характеристике 1 (рис. 1.51), отличающейся колебаниями электромагнитного момента двигателя в процессе разгона. Она отображает связь между мгновенными значениями момента и скорости двигателя в переходном процессе его работы в отличие от статической механической характери79


стики 2, которая отображает связь между средними значениями момента и скорости в устойчивых режимах и является геометрическим местом точек равновесия системы «двигатель-нагрузка». Следует учитывать, что коэффициент затухания переходной составляющей момента увеличивается с увеличением скорости ротора [12]. Наибольшее количество колебаний пиков переходного момента имеет место при неподвижном роторе двигателя и в зоне малых его скоростей. Таким образом, с целью обеспечения приемлемых условий эксплуатации электромеханических систем, высокого ресурса трансмиссий горных машин целесообразно осуществлять управление динамическими режимами пуска электроприводов в контексте управления электромагнитными переходными моментами, в частности, путём воздействия на величину свободной составляющей магнитного потока асинхронного двигателя, который возникает в процессе его пуска. При неизменной величине частоты напряжения сети единственным способом управления током намагничивания и, соответственно, создаваемым им потоком, является воздействие на систему фазных напряжений, которые прикладываются к двигателю. Это может быть реализовано одним из трёх способов. Первый состоит в ограничении напряжения питания двигателя с целью уменьшения установившейся величины магнитного потока и применительно к горным машинам (где возникают значительные моменты сопротивления) является неприемлемым. Его реализация сопровождается значительным увеличением продолжительности разгона двигателя (рис. 1.52). Увеличивается продолжительность протекания по обмоткам двигателя токов, существенно превышающих номинальную величину. Такое управление работой двигателя может привести его несостоявшемуся пуску в связи с невозможностью преодоления момента сопротивления (в случае питания двигателя напряжением пониженной величины в процессе пуска). Другой способ предусматривает детерминированное подключение к сети обмоток статора двигателя для создания благоприятных начальных электромагнитных условий в момент подключения, обеспечивающих минимальную амплитуду переходного момента. Условием полного устранения переходных моментов является следующее соотношение между начальным потокосцеплением ψ s (0) и результирующим вектором напряжения u s трёхфазной системы: 80


(1.93)

ψ s ( 0) = − j u s ( 0) / 2

М; іs; ωs

М; іs; ωs

М; іs; ωs

Рисунок 1.52 – Осцилограммы пуска АД при регулировании напряжения питания средствами ТРН [9]: а – прямиой пуск; б – α = 600; в – α = 900

Параметр u s обусловливающий направление потокосцепления ψ s (0) , определяется мгновенными значениями фазных напряжений сети и совпадает с их максимумами. Поэтому детерминированное подключение асинхронного двигателя к трёхфазной системе должно производиться только при максимуме напряжения соответствующей фазы. Это может быть реализовано посредством трёхфазного тиристорного коммутатора. На практике вначале подключают две фазы двигателя на линейное напряжение, после чего подключают третью фазу в момент максимума её напряжения. Однако, это не устраняет высокой интенсивности разгона асинхронного двигателя до номинальной скорости (рис. 1.53). В промышленности широкое применение нашёл третий способ управления динамическими режимами асинхронного двигателя (способ плавного пуска), который заключается в снижении (в сравнении с контакторным включением) скорости повышения напряжения питания асинхронного двигателя и, соответственно, тока намагничивания. Его реализация основана на использовании тиристорного регулятора напряжения (ТРН) в силовом присоединении питания двигателя. При 81


этом, средствами фазового регулирования (изменением величины заданного угла отпирания тиристоров) изменяют выходное напряжение ТРН (напряжение питания АД), начиная с уменьшенного фиксированного уровня до номинальной величины по определённому закону в течение фиксированного интервала времени. 1.12.2 Устройство и особенности эксплуатации технических средств плавного пуска

Рисунок 1.53 – Осцилограммы пуска асинхронного двигателя при разных начальных условиях [9]: а – контакторное подключение к сети; б – детерминированный пуск

асинхронных двигателей Расширению области применения силовых ТРН для обеспечения плавности пуска асинхронных двигателей горных машин способствует простота силовой схемы регулятора, включая систему охлаждения силовых тиристоров при их размещении во взрывобезопасной оболочке устройства Для тех. технологических установок, плавный пуск которых не предусматривает поддержание заданной диаграммы скорости при колебаниях момента сопротивления, достаточно применения разомкнутых схем управления ТРН. Этим ещё более упрощается схемотехника средств управления плавным пуском двигателей. Для этого класса технических решений (устройств «soft-start») характерной является структура схемы, реализованной в устройстве КУВПП250М (рис. 1.54) [14].

82


КМ2

ТРН

КМ1

ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

БЛОК ПИТАНИЯ

БЛОК СИНХРОНИЗАЦИИ

ДРАЙВЕРЫ ТИРИСТОРОВ

ДАТЧИК ТОКА

ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА

АЦП

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ

ПУСК / СТОП

ДИСПЛЕЙ

УСТРОЙСТВО ВВОДА ДАННЫХ

Рисунок 1.54 – Структурная схема комплектного устройства плавного пуска КУВПП-250М

Работа устройства начинается включением последовательного контактора КМ1. При отключенных тиристорах ТРН это сопровождается отсутствием тока и дугообразования в силовой цепи контактора, что существенно увеличивает его ресурс. Как правило, закон изменения выходного напряжения ТРН задаётся пользователем в зависимости от особенностей эксплуатации электропривода технологической установки, управляемой от устройства плавного пуска (рис. 1.55) и представляет собой прямую линию. Величина задания стартового выходного напряжения ТРН находится в пределах от 0 до 60% от номинального. При необходимости пуска установки со значительным моментом сопротивления предусмотрен режим «kick-start». В этом случае на начальном этапе пуска происходит кратковременный, про83


должительностью 0,8 с. «наброс» напряжения на выходе ТРН. По окончании разгона двигателя тиристоры ТРН выводятся из работы включением шунтирующего контактора КМ2. Это существенно уменьшает тепловыделение при работе силовых тиристоров регулятора напряжения. Напряжение, % 100 %

Стартовый импульс

Свободный

выбег АД

Плавная

остановка

Начальное

напряжение

0

Пуск

Работа

Остановка

Время в секундах

Рисунок 1.55 – Диаграммы изменения выходного напряжения тиристорного коммутатора устройства КУВПП-250М в процессе разгона и замедления асинхронного двигателя потребителя

В случае необходимости увеличения продолжительности замедления двигателя в сравнении с его свободным выбегом при отключении, в устройстве «soft-start», предусмотрена функция плавной остановки. В этом случае по команде «СТОП» система управления вначале полностью открывает тиристоры коммутатора, а затем в заданном диапазоне времени увеличивает угол α отпирания тиристоров, плавно снижая напряжение на выходе ТРН до нуля. После этого отключается последовательный контактор КМ1 (при отсутствии проводящего состояния ТРН процесс отключения контактора не сопровождается дугообразованием). Таким образом, в случае применения устройства «soft-start» создаётся система «тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель», в которой величина напряжения статора АД может изменяться в полном диапазоне в соответствии с фазовым принципом управления тиристорами ТРН, создавая, в свою очередь, воздействия на величину электромагнитного момента асинхронного двигателя. Характерной особенностью относительно эксплуатации АД является наличие на клеммах его статора трёхфазной ЭДС вращения 84


eв р , индуктированной полем токов ротора, которая способна существенно влиять на процессы в системе ТРН-АД [15]: − eв р =

1 pω ( Lm ( 2isA + isB ) + Lr ( 2irB + irA )) , 3

где р – число пар полюсов АД;

и

is

ir

(1.94)

- токи статора и ротора. ЭДС

eв р имеет знак (-) по отношению к ЭДС вращения, индуктированной в обмотке статора. евр евр евр

Рисунок 1.56 – Расчётная схема системы ТРН-АД

Расчётная схема системы “ТРН-АД” (рис. 1.56) включает источник питания с фазными напряжениями U A ; U B ; U C , ТРН (VS1-VS6); асинхронный двигатель, в котором: Rs ; Lsl , соответственно, активное сопротивление и индуктивность статора; Rr ; Lrl - соответственно, активное сопротивление и индуктивность ротора; Lm - индуктивность главного магнитного поля, в расчёте на фазу АД; Анализ процессов в системе ТРН-АД по методу фиксированных состояний показывает, что фиксированной величине напряжения питания асинхронного двигателя соответствует несколько решений дифференциальных уравнений, определённых в функции ω ш= const. [15].

u = r i + (dψ / dt ) + j ω ψ u = r i + (dψ / dt ) + j (ω − pω )ψ ψ =Li +Li; s

s s

s

r

r r

r

s

s s

k

s

k

ш

r

;

0 r

85

(1.95.1)


ψ

r

= Lo i s + Lr i r;

(1.95.2)

M = (3 / 2) pL0 Lm [i r × i s ];

Jd ω / dt = M ± M

ОП

,

где u r - вектор напряжения ротора; u s и ψ s - векторы напряжения и потокосцепления статора АД, ωш – угловая скорость системы координат: J и M – соответственно, момент инерции и электромагнитный момент АД, Моп – момент сопротивления АД: Ls и Lr – эквивалентные фазные индуктивности статора и ротора АД, соответственно, Ls = Lsс + L0 и Ls = Lsс + L0. Фактическому режиму соответствует только одна угловая скорость ротора, а именно, та, при которой М = Моп. При условии, когда угол α отпирания тиристоров ТРН превышает нулевое значение (эл. град), а угловая скорость ωш = ω1 близка к номинальной ω2, асинхронный двигатель находится на устойчивой части своей механической характеристики. В этом случае магнитный поток машины уменьшен соответственно уменьшению величины питающего напряжения U(α): Ф(α) = U(α)/4,44 fωk

(1.96)

Постоянство электромагнитного момента (М=Мс=const) при уменьшенном напряжении питания обеспечивается повышением тока АД: M = k Ф(α) Ir cos φ2,

(1.07)

где k – конструктивный коэффициент; φ2 – угол между ЭДС вращения АД и током его ротора:

cos ϕ 2 = rr' / s / ( rr' / s ) 2 + ( 2πfLr ) 2 ,

(1.98)

где f- частота напряжения сети; s – скольжение ротора АД. Таким образом, повышенный в сравнении с номинальным ток АД и близкая к номинальной угловая скорость ротора двигателя обусловливают повышение ЭДС вращения АД. Это, в свою очередь, обусловливает изменение фактических углов отпирания α и проводимо86


сти β тиристоров ТРН, что поясняется диаграммами напряжений (рис. 1.57) [16]. На этом рисунке показаны диаграммы изменения uB uA uC ЭДС вращения АД при услоu вии, что сформированный ωt системой управления угол от0 пирания силовых тиристоров ТРН αз = 90 эл. град. Диапазон ев А изменения ЭДС вращения от ψ u’A 0,45 до 0,9 от амплитуды номинального фазного напряжеt4 ωt ния соответствует данным 0 t7 эксплуатации. Таким образом, αз при увеличении величины ЭДС вращения АД её мгноu’B ев В t6 венные значения могут преωt высить величины мгновенных 0 t3 значений соответствующих βФ выходных фазных напряжеu’C t1 ний u’A; u’B; u’C выхода ТРН αф на отдельных интервалах ωt времени в течение периода 0 напряжения. t5 Так, тиристор, который ев С коммутирует напряжение поt2 ложительной полярности фазы Рисунок 1.57 - Диаграммы напряжеА, будет открыт только на инний системы «ТРН-АД» в процессе тервале t2 ≤ t ≤ t5, поскольку на автоколебаний при фазовом регулировании напряжения этом интервале времени потенциал фазной ЭДС вращения, которая воздействует на его катод, будет оставаться меньшим потенциала анода. Кроме этого, в это же время будут включены тиристоры, коммутирующие полуволны напряжений противоположного знака фаз В (до момента t4) и С (до момента t6). Благодаря действию ЭДС вращения АД проводящее состояние тиристоров ТРН может быть увеличено до 180 эл. град. при фазовой задержке тока до 120 эл. град. При этом напряжение питания АД достигнет максимальной величины, что обусловит переход двигателя с искусственной на естест87


венную механическую характеристику, последующее уменьшения тока статора и ЭДС вращения и возврат углов коммутации тиристоров ТРН к начальным (заданным) параметрам [15; 16]. После этого напряжение питания АД вновь снижается, что создаёт условия для последующего повышения тока и ЭДС вращения двигателя. Эти положения иллюстрируются осциллограммами (рис. 1.58) [15]. ев

Рисунок 1.58 – Фрагменты осциллограмм фазных: напряжения u, ЭДС вращения eв и тока i статора АД в течение периода автоколебаний параметров системы ТРН-АД (двигатель типа КОФ-32 мощностью 32 кВт)

Экспериментально полученные характеристики автоколебаний параметров системы ТРН-АД (для двигателя мощностью 32 кВт) приведены на рис. 1.59. Наличие условий возникновения и существования неустойчивых состояний системы ТРН-АД обусловливает необходимость коррекции управляющей функции со стороны системы управления, а именно, значительное повышение (не менее, чем до 50 эл. град/с) скорости уменьшения заданного угла α отпирания тиристоров ТРН при выполнении управляемого плавного пуска АД в случае скачкообразного повышения напряжения в цепи между ТРН и АД (что является признаком начала неуправляемого автоколебательного процесса).

88


Особенности применения тиристорных регуляторов напряжения касаются и специфики возникновения и протекания ненормальных режимов работы системы ТРН-АД, выявление которых должно приводить к немедленному отключению двигателя. К числу таких режимов следует отнести неполнофазное электропитание асинхронного двигателя из-за неотпирания одного из тиристоров ТРН. Вероятность такого случая весьма невелика, поскольку тиристор отличается высокой надёжностью работы. Однако, поскольку существует вероятность возникновения такого режима, он должен быть рассмотрен. Е в.m эл. град.

Е в.m

Период автоколебаний

Рисунок 1.59 – Диаграммы параметров системы „ТРН-АД” при наличии автоколебаний α и β – фактические углы, соответственно, отпирания и проводимости тиристоров ТРН, Eвm/Umном- отношение амплитуд ЭДС вращения и номинального нгапряжения соответствующей фазы; I1m/I1mi – отношение амплитуд фактического и номинального тока статора АД

При контакторной коммутации неполнофазный режим характеризуется отсутствием присоединения к питающей сети одной фазы асинхронного двигателя. В связи с этим не может быть создан вращающий момент, две фазы двигателя обтекаются пусковым током, что может привести к быстрому перегреву и повреждению машины. В отличие от этого, неполнофазный режим в случае неотпирания одного тиристора ТРН характеризуется сменяющими друг друга с частотой сети состояниями трёхфазного и двухфазного электропитания двигателя. Наибольшую опасность этот процесс представляет на ин89


тервале пуска. В этом случае двигатель с частотой сети переключается из двигательного режима (точка «А») в режим динамического торможения (точка «В»), поскольку в течение полупериода трёхфазного электропитания АД не успевает выйти на достаточно высокую угловую скорость ω (рис. 1.60) [8]. uA

Uсети

uвых

u’A

uB

uC

ω

ωt u’C

u’B

ωt

а

t1

t2 t 3

t4

3-фазное питание

2-фазное питание

А

В

б

0

Рисунок 1.60 – Диаграммы формирования фазных напряжений выхода ТРН при невключении одного из его тиристоров (а) и механические характеристики асинхронного двигателя (б) в процес-се розгона при отсутствии проводимости одного из тиристоров ТРН

Контроль состояния силовых тиристоров VS1; VS2 фазы ТРН может бать осуK1 VS2 VS4 ществлён подключением паVS1 раллельно к ним цепей с реаVS3 K2 гирующими элементами (К1; Uу1 К2) через дополнительные R2 C2 тиристоры VS3; VS4 (рис. Рисунок 1.61 – Схема контроля сос1.61) [17]. Схема предусматтояния силовых тиристоров VS1 и ривает одновременное вклюVS2 в фазе ТРН чение тиристоров VS1; VS3 от импульса управления Uу1 и тиристоров VS2; VS4 от импульса управления Uу2. Таким образом, силовой тиристор ТРН в проводящем состоянии будет шунтировать схему соответствующей цепи контроля В случае невключения силового тиристора при налички импульса управления дополнительный тиристор VS3 или VS4 включит соответствующую цеп контроля, что приведёт к срабатыванию реагирующего элемента. C1

R1

Uу2

90

М


Вопросы для самоконтроля 1. В чём заключаются назначение и структура электропривода? 2. Каковы области применения электродвигателей постоянного и переменного тока в соответствии с особенностями технологических установок горного предприятия? 3. Каковы функции преобразователей в структуре электропривода с учётом особенностей применяемых электродвигателей? 4. Проанализировать основное уравнение электропривода. 5. Каковы характерные признаки рабочего и тормозного режимов двигателя в контексте соотношения направлений электромагнитного момента и угловой скорости? 6. Дать определение устойчивости механической характеристики электродвигателя. Какие свойства отличают устойчивую и неустойчивую механические характеристики двигателя? 7. Дать определение переходного процесса, какими факторами определяются параметры переходного процесса, какие виды переходных процессов свойственны электроприводам? 8. В чём состоит графоаналитический метод расчёта переходных процессов? 9. С какой целью и каким образом выполняется приведение статических моментов, усилий, моментов инерции в электроприводе? 10. Проанализировать электромеханические свойства двигателей постоянного тока, способы регулирования их угловой скорости? 11. Проанализировать электромеханические свойства асинхронных двигателей? 12. В чём состоит способ регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения? Раскрыть сущность правила М.П. Костенко. 13. В чём состоит реостатный способ регулирования угловой скорости асинхронного двигателя (с фазным ротором)? 14. Каковы особенности влияния на параметры асинхронного двигателя изменения величины его питающего напряжения при постоянной частоте? 15. В чём состоит принцип вытеснения роторного тока? Каковы особенности его применения для повышения нагрузочной способности асинхронного двигателя на интервале его разгона? 16. В чём состоит каскадный принцип регулирования угловой скорости асинхронного двигателя (на примере применения схем асинхронных машинно-вентильного и вентильного каскадов)? 91


17. Проанализировать электромеханические свойства синхронных электрических машин? 18. В чём состоит способ генераторного торможения двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей? 19. В чём состоит способ торможения противоключением двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей? 20. В чём состоит способ динамического торможения двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей? 21. В чём состоит способ индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя? Раскрыть назначение, устройство и принцип действия аппарата АТЭМ. 22. Раскрыть структуру, и принципы функционирования разомкнутых и замкнутых одноконтурных систем автоматического управления электроприводами. 23. Раскрыть структуру и принцип функционирования системы подчиненного автоматического регулирования электропривода. Привести и проанализировать типовые схемные решения, в контексте согласования структуры силовой схемы электропривода и функциональных узлов системы автоматического управления. 24. Раскрыть структуру и принцип действия системы импульснофазового управления тиристорным регулятором напряжения. 25. Изобразить силовую схему и проанализировать принцип действия управляемого выпрямителя. 26. Изобразить силовую схему и проанализировать принцип действия преобразователя частоты со звеном постоянного тока. 27. В чём состоит проблематика пуска асинхронного двигателя путем контакторного включения? Каковы способы повышения плавности разгона асинхронного двигателя? 28. Раскрыть структуру и принципы эксплуатации устройств плавного пуска асинхронного двигателя. 29. Каковы причины возникновения неустойчивых состояний системы "тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двигатель", в чём заключается способ их предотвращения? 30. Чем отличается неполнофазное электропитания асинхронного двигателя в случае невключения тиристора регулятора напряжения и в чём состоит способ контроля состояния силовых тиристоров такого регулятора ?

92


РАЗДЕЛ 2 РЕЖИМЫ РАБОТЫ И РАСЧЁТ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Учебной целью раздела является рассмотрение особенностей типовых режимов работы электродвигателей и освоение принципов расчёта мощности двигателя с учётом особенностей его эксплуатации в контексте типовых режимов работы. 2.1 Общая характеристика режимов работы электродвигателей В зависимости от особенностей производственного процесса работа приводного двигателя технологической установки характеризуется определённой продолжительностью, периодичностью, уровнями нагружения, наличием, либо отсутствием режимов торможения, нагревом и охлаждением двигателей. Эти параметры в своей совокупности обусловливают особенности соответствующего теплового режима работы электродвигателя [18], характерные признаки которого – следующие: - температура ( Θ ); максимальная температура ( Θ макс ); - продолжительность t выполнения определённой функции (пуск Δt D ; работа Δt p ; торможение Δt F ; пауза в работе Δt R ); - продолжительность одного цикла нагружения (Тц); - постоянная времени нагрева двигателя (Т) - Ре - электрические потери; - PSi - номинальная мощность двигателя в соответствующем режиме Si ; - коэффициент цикличной продолжительности включения (КЦТ); - относительная продолжительность включения (ПВ): Распространёнными в угольной промышленности являются следующие режимы работы электродвигателей: продолжительный (S1); кратковременный (S2); повторно-кратковременный (S3); повторнократковременный с учётом воздействия пусковых процессов (S4). Рассмотрим их характерные признаки. Продолжительный режим работы S1 (рис. 2.1, а) – это работа двигателя при неизменной нагрузке Р и потерях Ре на протяжении времени, достаточном для достижения установившейся температуры всеми его частями ( Θ макс ). 93


Кратковременный режим работы S2 (рис. 2.1, б) – это работа двигателя при неизменной нагрузке Р в течение времени Δt p , которое недостаточно для достижения всеми частями двигателя установившейся температуры, после чего двигатель отключают на время, достаточное для охлаждения до температуры, которая не более, чем на 2°С превышает температуру окружающей среды. Мощность двигателя определяется по формуле: PS 2 ≤ PS1

1 1− e

Δt p T

,

(2.1)

При этом необходимо выполнять условие: PS 2 M ≤ 0,8 к . PS1 Мн

(2.2)

где PS1 - номинальная мощность двигателя в продолжительном режиме S1; Мк и Мн – соответственно, критический и номинальный моменты двигателя.

а)

б)

Рисунок 2.1 – Характеристики режимов работы электродвигаетля: а – режим S1; б – режим S2

Периодический повторно-кратковременный режим работы S3 (рис. 2.2, а) – это последовательность идентичных циклов работы, 94


каждый из которых состоит из времени работы Δt p при постоянной нагрузке, в течение которого двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, и времени паузы Δt R , в течение которого двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Потери при пуске не влияют на температуру частей двигателя. K ЦТ = Δt p Tц . Мощность двигателя определяется по формуле: PS 2 ≤ PS1 1 +

(1 − ТВ / 100) β 0 , (1 − K o )ТВ / 100

(2.3)

где β 0 - коэффициент уменьшения теплоотдачи при неработающем двигателе; K o - отношение потерь холостого хода к потерям при нагружении; ПВ – относительная продолжительность включения:

ПВ = Δt p ⋅ 100 /( Δt p + Δt R ) , %.

а)

(2.4)

б)

Рисунок 2.2 – Характеристики режимов работы электродвигателя: а – режим S3; б – режим S4

Периодический повторно-кратковременный режим з учётом воздействия пусковых процессов S4 (рис. 2.2, б) – последовательность идентичных режимов работы, каждый из которых содержит интервал 95


пуска Δt D , время работы при постоянной нагрузке Δt p , в течение которого двигатель не нагревается до установившейся температуры, и время паузы в работе двигателя Δt R , в течение которого двигатель не успевает охладиться до установившейся температуры. Коэффициент цикличной продолжительности включения составляет: K ЦТ = Δt р + Δt D Tц . Относительная продолжительность включения составляет:

(

)

ПВ = ( Δt р + Δt D ) ⋅ 100 ( Δt р + Δt D + Δt R ) , %.

(2.5)

Периодический повторно-кратковременный режим з учётом воздействия пусковых процессов и электрическим торможением S5 режим, который содержит те же элементы, что и режим S4 с дополнительным интервалом Δt F интенсивного электрического торможения (рис. 2.3,а). Коэффициент циклической продолжительности включения равен: K ЦТ = (Δt D + Δt p + Δt F ) / Tц . Относительная продолжительность включения составляет: ПВ = ( Δt p + Δt D + Δt F )·100 / ( Δt p + Δt D + Δt F + Δt R ), %.

а)

б) Рисунок 2.3 – Характеристики режимов работы электродвигателя: а – режим S5; б – режим S6 96

(2.6)


Перемежающийся режим работы S6 – последовательность идентичных циклов, каждый из которых содержит время работы Δt p с установившейся нагрузкой Р и время работы в ненагруженном состоянии Δtv , при этом продолжительность данных периодов такова, что температура двигателя не успевает достичь установившегося значения (рис. 2.3, б). Продолжительность одного цикла применительно к этому режиму не должна превышать 10 мин. Показателем режима является относительная продолжительность нагружения: ПН= Δt p ·100 / ( Δt p + Δtv ), %.

(2.7)

Нормированными являются значения ПН=15, 25, 40 и 60%. Мощность двигателя, работающего в режиме S6, определяется по формуле:

PS 6 ≤ PS1 100 / ПН .

(2.8)

при условии: PS 6 M ≤ 0,8 к . PS1 Mн

(2.9)

Периодический, перемежающийся режим с воздействием пусковых процессов и электрическим торможением S7 – это последовательность идентичных циклов, каждый из которых содержит время пуска Δt D , время работы Δt p с постоянной нагрузкой и интенсивное электрическое торможение Δt F (рис. 2.4, а). Режим не содержит пауз (ПВ=100 %); КЦТ=1. В случае, если торможение осуществляется реверсированием, следует учитывать, что один реверс по тепловому состоянию эквивалентен трём пускам двигателя. Периодический, перемежающийся режим, при периодическом изменении частоты вращения S8 – это последовательность идентичных циклов, каждый из которых содержит время разгона Δt D , работу Δt p1 с постоянной нагрузкой и частотой вращения (ω1), электрическое торможение (на интервале времени Δt F1), работу Δt p 2 при другой частоте вращения (ω2) и нагружении, электрическое торможение 97


и т.д. (рис. 2.4, б). Продолжительность нагружения определяется применительно к каждому конкретному уровню установившейся угловой скорости (%): ПН1= (Δt D + Δt p1 ) × 100 / T ; ПН2= = (ΔtT 2 + Δt p3 ) × 100 / T ; ПН3 = (ΔtT 1 + Δt p 2 ) × 100 / T и др. (где Т – совокупная продолжительность существования отдельных режимов нагружения двигателя). Режим реализуется в многоскоростных двигателях с переключением числа пар полюсов.

а)

б) Рисунок 2.4 - Характеристики режимов работы электродвигателя: а – режим S7; б – режим S8

2.2 Принципы выбора электродвигателя с учётом специфики типовых режимов роботы Общим принципом, которым следует руководствоваться при выборе двигателя для электропривода конкретной технологической установки должно быть соответствие номинальной скорости двигателя, выбираемого по каталогу, заданной величине, при этом, номинальная мощность двигателя должна быть не меньшей, чем расчётная. Следует учитывать режим работы, на который этот двигатель рассчитан. Его номинальная мощность указана в соответствии с конкретным режимом работы. В общем случае расчётная мощность двигателя Р (кВт) определяется величиной его вращающего момента М 98


(Н·м) на валу и угловой скоростью ω (об/мин.): M ⋅ω ⋅ 10 − 3 . (2.10) P= 9,55 Однако, каждый из типовых режимов работы имеет определённые особенности относительно расчёта мощности двигателя [3; 18]. Режим S1. При расчете мощности двигателя необходимо выполнить проверку достаточности пускового момента двигателя, поскольку некоторые виды машин, в приводе которых работают электродвигатели имеют повышенное сопротивление трения при страгивании с места рабочего органа. Расчётная мощность двигателя определяется энергетическими показателями соответствующей машины с учётом КПД. Например, мощность двигателя для вентилятора или насоса определяется по формуле: P(вент) = Р( нас )

QH

10−3 , кВт,

ηвентηпер Q ⋅ γ ⋅ H ⋅ g −3 = 10 , кВт, η насη пер

где Q - производительность вентилятора или насоса, м3/с; Н – расчётная высота подъёма жидкости (м) или депрессия (давление на выходе) вентилятора (Па); γ - плотность перекачиваемой жидкости кг/м3; η пер , η нас , η вент - КПД передачи, насоса или вентилятора. Более сложен выбор мощности двигателя для привода, работающего в продолжительном режиме при переменной нагрузке (рис. 2.5). Если выбрать асинхронный двигатель с номинальной мощностью, соответствующей максимальной нагрузке, то большую часть времени он будет недогружен. Выбор двигателя в соответствии с уровнями нагрузки Р1 или Р2 , приведёт к его перегреву при уровне нагрузки Р3 . Превышение температуры пропорционально потерям мощности в двигателе. Поэтому для правильного выбора его мощности определяют средние потери ΔРср за рабочий цикл Т ц : ΔPi ti , T i =1 ц m

ΔРср = ∑

(2.11) 99


где ΔPi - мощность потерь на i-м интервале; ti - продолжительность i-гo интервала; m - число интервалов в цикле. Нормальным тепловое состояние двигателя будет при условии, что средние потери мощности не превышают величину потерь при его работе с номинальной мощностью: ΔРном ≥ ΔРср ,

где ΔРном = Рном

(2.12)

1 − η ном

η ном

.

(2.13)

Такой метод выбора мощности двигателя является методом средних потерь. Его недостаток состоит в необходимости иметь кривую зависимости КПД двигателя от нагрузки. Поэтому чаще используется метод эквивалентных (среднеквадратических) величин. Он состоит в следующем. При определении потерь действующий ток заменяют Рисунок 2.5 - Диаграмма нагрузок дви- эквивалентным, который в гателя P=f(t) и диаграмма потерь в дви- течение рабочего цикла гателе Δ P=f(t) при продолжительных вызывает такие же потери мощности. Полные потери переменных нагрузках мощности в двигателе состоят из постоянных ΔРпост и переменных ΔР пер :

ΔР = ΔРпост + ΔРпер .

(2.14)

Постоянные потери примерно равны потерям в стали, а пере100


менные потери определяются выражением:

ΔРпер = I 2 R ,

(2.15)

где I - ток двигателя; R – активное сопротивление обмоток двигателя. Средняя мощность потерь за цикл определяется формулой: ΔРср =

ΔР1t1 + ΔР2t2 + K + ΔРntn . t1 + t2 + K + tn

(2.16)

Подставляя значения отдельных потерь, получаем: I12t1 + I 22t2 + K + I n2tn R. ΔPср = ΔРпост + t1 + t2 + K + tn

(2.17)

Эквивалентный ток:

I экв =

I 12 t1 + I 22 t 2 + K + I n2 t n . t1 + t 2 + K + t n

Рисунок. 2.6 – Кусочно-линейная аппроксимация кривой диаграммы нагрузок I=f(t)

101

(2.18) Для правильного выбора двигателя по нагреву необходимо, чтобы I ном ≥ I экв . Если фактическая величина тока имеет вид непрерывной кривой I=f(t), то при определении эквиваоентного тока пользуются методом кусочно-линейной аппроксимации и получают график, состоящий из прямоугольников, треугольников и трапеций (рис. 2.6). Для участка,


имеющего форму треугольника:

′ = I экв

I 12 3 ,

(2.19)

для участка, имеющего форму трапеции: ′ = I экв

I 42 + I 4 I 5 + I 52 . 3

(2.20)

Эквивалентное значение тока для графика на рис. 2.6, определяется формулой:

I экв =

I 42 + I 4 I 5 + I 32 I 12 2 2 2 2 t1 + I 1 t2 + I 2 t2 + I 3 t3 + I 4 t4 + t5 3 3 . (2.21) t1 + t2 + t3 + t4 + t5

Если в процессе работы двигателя происходит ухудшение теплоотдачи, связанное с уменьшением частоты вращения, то в приведенные выше формулы эквивалентных величин вводится коэффициент ухудшения теплоотдачи β i = Ai / A , где Ai и А - теплоотдача при

i-й и номинальной частотах вращения. Величина

I экв

1 = Тц

∑ (I

I экв

определяется:

2 i i

t)

∑ (β t ) ∑ t i i

i

.

(2.22)

На практике часто приходится использовать диаграмму моментов нагружения М=f(t), полученную в результате расчёта механических переходных процессов. Поскольку при постоянном магнитном потоке Ф момент М=СФІ, то справедливо выражение: M 12t1 + M 22t 2 + K + M n2t n M экв = . t1 + K + t n 102

(2.23)


Для правильно выбранного двигателя необходимо, чтобы

М ном ≥ М экв . Как правило, изменение нагрузки на валу асинхронного двигателя происходит при его работе на естественной характеристике, поэтому при выборе мощности двигателя можно пользоваться формулой эквивалентной мощности. Выражение для эквивалентной мощности P экв может быть получено из формулы эквивалентного момента, если в неё подставить выражение момента M = P ⋅103 / ω . При ω = const момент пропорционален мощности, т.е. n

Pэкв =

∑P t i =1

2

i

i

.

(2.24)

Для правильно выбранного двигателя необходимо, чтобы Р ном ≥ Р экв Рассмотренные методы проверки двигателей по нагреву при переменной нагрузке относятся к методам эквивалентного преобразования диаграмм нагрузки к стандартной для режима S1, на который рассчитан двигатель для продолжительной работы. В соответствии с методом эквивалентного момента (мощности) предварительный выбор двигателя производится согласно выражений: М ном ≥ k з

n

n

∑ M i2ti i =1

∑ β i ti ;

i =1 2

(2.25)

n ⎛ ω ном ⎞ ⎟ ⎜ Pном ≥ k з ∑ Pi ti ⎜ (2.26) ∑ β i ti , ⎟ ω ⎝ і ⎠ i =1 i =1 где k з =1,1…1,3 – коэффициент запаса. Режим S2. При выборе двигателя приходится иметь дело с тем, что продолжительность его фактической работы не совпадает с продолжительностью кратковременной работы, определённой нормативно (10, 30, 40 и 90 мин.). Кроме этого, нагрузка привода на протяжении рабочего периода tp может ступенчато изменяться. В этих случаях необходимо рассчитывать эквивалентные величины, которые приводятся к стандартной величине продолжительности кратковременной работы t р.ст , ближайшей к реальному значению t p . При выборе n

103


двигателя должны соблюдаться условия: M экв (t p .ст ) =

Рэкв (t p.ст ) =

∑M

2 i i

t

t p.ст

∑Р t

2 i i

t p.ст

≤ М ном (t p.ст ) ;

(2.27)

≤ Рном (t p. ст ) .

(2.28)

где M экв (t p.ст ) , Рэкв (t p .ст ) - номинальные значения момента и мощности двигателя, соответствующие продолжительности кратковременной работы t p.ст . Режим S3. Для электроприводов, работающих в режиме S3, целесообразно выбирать двигатель, предназначенный для этого режима по следующей методике. По диаграмме нагрузок для продолжительности рабочего цикла Тц ≤ 10 мин. Определяется относительная продолжительность включения: ∑ t pi 100 ПВ = %, (2.29) T ц

где tpi - время работы при i-й величине нагрузки за время Тц. Далее определяются приведенные к ближайшему стандартному значению ПВст=15, 25, 40, 60 % эквивалентные величины мощности Рэкв, и момента Мэкв:

Рэкв М экв

ТВ = ТВст ТВ = ТВст

∑Р t ∑t ∑М t ∑t

2 i pi pi

;

2 i pi pi

(2.30)

.

(2.31)

При этом должно выполняться условие: Рэкв. ПВст ≤ Рном. ПВст ; М экв . ПВст ≤ М ном . ПВст , где Рном. ПВст , М ном. ПВст - номинальные значения мощности и момента, соответствующие ПВст. При идентичных циклах с постоянной нагрузкой в течение рабочего периода приведенные выше выражения приводятся к виду:

Рном. ПВст = Рном ПВ / ПВст ; М ном. ПВст = М ном ПВ / ПВст . 104

(2.32) (2.33)


Имея паспортные данные ( Рном , ПВ), по полученным выражениям можно определить Рр, Мр при заданном ПВ, либо ПВ при заданных Рном и Мном. Режимы S4 и S5. Для электроприводов, работающих в режимах S4 и S5, т.е., при частоте включений ≥ 30 вкл./час, рекомендуется выбирать двигатели, предназначенные для режима роботы S3, но с запасом по мощности на 30÷50%. Выбор в этом случае усложняется тем, что наперёд заданная точная диаграмма загрузок для этих режимов не может быть рассчитана, поскольку существенную долю потерь составляют потери в переходных процессах, которые могут быть рассчитаны только после выбора двигателя. Режимы S6 и S7. Для работы в режимах S6 и S7 обычно выбирают двигатели, предназначенные для работы в режиме S1, но с запасом по мощности на одну ступень. Расчёт эквивалентных величин мощности, тока или моментов производится так же, как и для режима S1. Для обоих указанных вариантов расчёта обязательна проверка условий: М пуск > M ном ; М max > M ном . Отдельно рассмотрим режим с ударной нагрузкой, когда момент статической нагрузки резко увеличивается с последующим уменьшением до момента холостого хода. Этот режим работы двигателя можно отнести к S6. В таком режиме работают двигатели компрессоров, поршневых насосов и т.п. Обычно в приводах, работающих с ударной нагрузкой на валу, устанавливается маховик, который воспринимает на себя часть нагрузки при резком её увеличении. В период снижения нагрузки, когда скорость электропривода увеличивается, запас кинетической энергии маховика снова возрастает; двигатель при несёт нагружение Рисунок 2.7 – График ударной нагрузки дви105 гателя с маховиком


бóльшее, чем момент сопротивления Мс.0. Принцип общего выбора двигателя и маховика для машин с ударной нагрузкой состоит в том, что кинетическая энергия маховика в начале нового цикла должна оставаться неизменной, а скорость двигателя – постоянной. В процессе прохождения пиков нагрузки в течение цикла маховик отдаёт энергию на вал (на рис. 2.7 соответствует заштрихованным участкам со знаком «-»), а в период холостого хода, т.е.. с увеличением скорости, запасает её (заштрихованные участки со знаком «+»). Энергия, отданная маховиком в течение цикла, должна равняться энергии, которая маховиком вновь накапливается. Если эти условия не соблюдаются, то в последующие периоды скорость привода в начале цикла не будет оставаться постоянной, и двигатель будет перегружен, либо выбран с завышенной мощностью. Простейшим является метод общего предварительного выбора двигателя и маховика. Он состоит в том, что из всего рабочего цикла Тц рассматривается только период наибольшего нагружения двигателя. На рис. 2.7 он определён интервалом tк . Этот период характеризуется максимальным статическим моментом Мс.max, который развивает двигатель ( М с′ ) и начальным моментом двигателя М с.0 . Для упрощения предыдущих расчётов принимают: М с′ .0 ≈ М с.0 . Для приведенного графика (рис. 2.7) учитывая, что при М с′ двигатель должен работать с максимальной нагрузкой, можно записать:

(

)

М с′ = M max 1 − e − t k / TM + M c.0 ⋅ e −t k / TM ,

(2.34)

где M max - максимальный электромагнитный момент двигателя; Т М = J Σ / β = J Σ ⋅ ω0 ⋅ sном / М ном - электромеханическая постоянная времени. Момент инерции электропривода: J Σ = M ном t к / ω0 sном ln

M c. max − M c.0 . M c. max − M max

(2.35)

Момент инерции маховика находится из выражения: ′ − J дв , J max = J Σ − J max 106

(2.36)


′ где J max - приведенный к валу двигателя момент инерции механизма. В дальнейшем, пользуясь параметрами принятого маховика необходимо выполнить проверку правильности выбора двигателя и маховика, для чего строят графики момента и скорости за цикл, аналогичные рис. 2.7. Критерием правильности выбора являются условия: Мнц, = Мкц; ωнц, = ωкц,

где Мнц, Мкц, ωнц, ωкц - соответственно, значения момента и скорости в начале и в конце цикла. Для предварительно выбранного двигателя строится диаграмма нагрузок и проверяются М экв и Рэкв , как и для режима S1. Из приведенного выражения для J Σ следует, что момент инерции маховика может быть уменьшен при использовании двигателя с повышенным скольжением sном . Для работы в режиме S8, как правило, выбирают двигатель, предназначенный для роботы в режиме S1 с выполнением соответствующих этому режиму расчётов. При выборе мощности должен быть введен коэффициент запаса, учитывающий ухудшение условий охлаждения при снижении скорости, динамические нагрузки при переходе от одной ступени скорости к другой. После выбора двигателя строится уточненная диаграмма нагрузок, для которой находят эквивалентные за цикл значения тока и момента. В режиме стохастической нагрузки могут работать асинхронные двигатели добычных и проходческих комбайнов, скребковых конвейеров и т.п. Диаграмма нагружения электропривода в этом случае может быть выражена в виде определённой детерминированной зависимости M(t). Поэтому для оценки нагрева двигателя необходимо пользоваться методами случайных процессов. Определяющими являются вероятностные характеристики момента сопротивления, от которых зависят аналогичные характеристики токов двигателя и превыщения температуры его частей. Оценка теплового состояния двигателя по среднему значению нагрузки приводит к занижению температуры обмоток, и ошибка эта будет тем большей, чем большим является отклонение (дисперсия) момента сопротивления от его среднего значения. Для большинства случайных процессов справедливым является правило «трёх сигм», интерпретация которого относительно тепло107


вых процессов при стохастическом нагружении двигателя даёт возможность определить наибольшее значение превышения температуры его обмотки: Δθ = Δθ + 3σ θ , где Δθ - математическое ожидание превышения температуры обмотки; σ θ - среднеквадратическое отклонение температуры. Условие Δθ об < Δθ доп будет критерием правильности выбора электродвигателя при неизвестной корелляционной функции случайного процесса нагружения. Проверку правильности выбора двигателя при условии нагрева для значений эквивалентного момента или эквивалентной мощности можно выполнить в соответствии с условиями:

M экв ≤ М ном , Рэкв ≤ Рном с учётом того, что M экв и ются следующим образом:

M экв =

М

2

Рэкв

определя-

+ σ М2 ;

2

+ σ Р2 , где М и Р - математическое ожидание, соответственно, момента Рэкв =

Р

и мощности; σ М ти σ Р - их середнеквадратические отклонения. Вопросы для самоконтроля 1. Дать общую характеристику типовым режимам работы электродвигателей. 2. В чём состоят принципы расчёта мощности двигателя применительно к типовым режимам работы (S1 – S8)? 3. В чём состоят преимущества метода эквивалентных величин при расчёте мощности (момента) двигателя? 4. Что необходимо учитывать при расчёте мощности двигателя в режиме S1 в случае ступенчатого изменения нагрузки? 5. Каково влияние параметра инерционности маховика на результаты расчёта мощности и момента двигателя, работа которого характеризуется циклическим изменением нагрузки? 6. В чём состоит особенность расчёта мощности электродвигателя для работы в режиме стохастической нагрузки?

108


РАЗДЕЛ 3 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ УСТАНОВОК

Учебной целью раздела является рассмотрение особенностей устройства и функционирования электроприводов шахтных подъёмных установок, включая электромеханические системы с приводами постоянного и переменного тока, средства автоматического управления электроприводами шахтного подъёма, отдельные функциональные элементы электроприводов. Результатом освоения студентами материала раздела является знание принципов построения и функционирования автоматизированных электроприводов шахтного клетьевого и скипового подъёмов, одноконцевой откатки, включая технические средства автоматизации управления их режимами работы. 3.1 Общие сведения о системах электропривода шахтного подъёма Шахтные подъёмные установки предназначены для выполнения важнейшей транспортной функции на горном предприятии – перемещению персонала, горной массы и оборудования по шахтным стволам и наклонным выработкам. В соответствии с этим, различают клетьевые и скиповые установки, а также шахтные подземные подъёмные машины и лебёдки. Характерной особенностью работы подъёмной установки является её цикличность. При этом каждый цикл характеризуется периодами разгона, движения с постоянной скоростью, замедлением движения и паузой. Кроме этого, диаграмма скорости скиповой подъёмной установки, предназначенной для транспортирования в стволах горной массы в скипах, должна предусматривать движение подъёмных сосудов на малой скорости по специальным направляющим (разгрузочным кривым) к местам автоматической выгрузки и загрузки скипов (рис.3.1; рис.3.2). Таким образом, диаграммы скорости шахтной подъёмной установки различают по количеству периодов на интервале цикла: трёхпериодные, либо пятипериодные (характерные для установок клетьевого подъёма) и шестипериодные, либо семипериодные (скиповые подъёмные установки). 109


5 2 7 3

12

11

6

4

v

10

3

t7 t1

t2

8

t3 t4

t5 t6

t

Тц

1

б

v

9

t8 а t1

t2 t3

t4 t5 Тц

t6 t7

t в

Рисунок 3.1 – Структурная схема шахтного скипового подъёма (а); шестипериодная (б) и семипериодная (в) диаграммы скорости шахтной подъёмной установки 1; 2 - скипы; 3 – канат; 4 – барабан подъёмной машини; 5 – направляющий шкив; 6 – копёр; 7 – приёмный бункер; 8 – загразочный бункер; 9 – затвор дозирующего устройства; 10 – опрокидыватель вагонеток; 11 – здание для размещения шахтной подъёмной машины; 12 - бункер

110


5 7

6 2

v 4

t4 t1

t2

t3

Тц

3 1

t б

v

а t6 t1

t2

t3 t4 t5 Тц

1; 2 - клети; 3 – канат; 4 – барабан подъёмной машины; 5 – направляющий шкив; 6 – копёр; 7 здание для размещения шахтной подъёмной машины

t в

Рисунок 3.2 – Структурная схема шахтного клетьевого подъёма (а); трёхпериодная (б) и пятипериодная (в) диаграммы скорости шахтной подъёмной установки 3 6

5

Рисунок 3.3 – Подъёмная машина барабанного типа 1 2 4

7

111

1- двигатель; 2- редуктор; 3 – муфта; 4 – барабан подъёмной машины; 5 - канат; 6 – тормозное устройство; 7 пульт машиниста подъёма


Величины скоростей и ускорений движения подъёмных сосудов определяются соответствующими нормативами и ограничены прочностными свойствами механического оборудования шахтного подъёма. Так, максимальная скорость движения подъёмного сосуда в разгрузочных кривых (момент t1 на рис. v; F F2 3.1, б) не должна v=f(t) F1 превышать 1,5 м/с F5 для скипа и 2,5 м/с F3 для опрокидной клети. Ускорение, с которым движется подъёмный сосуд на 0 участке разгона до t максимальной скороF4 F6 сти, ограничивается величиной в 1,2 м\с2, Рисунок 2.4 – Диаграммы усилий уравновешена скорость входа соной двухконцевойї подъёмной установки (шестипериодная диаграмма скорости) суда в разгрузочные кривые должна быть не более, чем 1,5 м/с. Скорость дальнейшего движения сосуда в разгрузочных кривых должна находиться в пределах 0,6 + 0,3 м/с. Максимальная скорость движения подъёмного сосуда не должна превышать 20 м/с. Эти показатели сопровождаются соответствующими величинами усилий на ободе барабана подъёмной установки (рис. 2.4). Учитывая неизменность таких составляющих, как расстояние между конечными точками подъёма, ускорение, скорость, замедление подъёмного сосуда, диаграмма скорости подъёма должна быть также неизменной. Препятствием этому является переменный характер момента сопротивления, обусловленный непостоянством массы груза в подъёмном сосуде и другими факторами. Таким образом, применительно к шахтному подъёму более приемлемы способы управления скоростными режимами двигателя, предусматривающие нахождение его на жёстких механических характеристиках. Электрооборудование шахтных подземных подъёмных машин представлено главным приводом, вспомогательными электроприводами и аппаратурой управления и защиты [19]. Важнейшей функцией главного привода подъёма является способность выполнения скоростных режимов двигателя (рабочего органа) в соответствии с задан112


ными циклическими диаграммами в полном диапазоне скоростей (от нулевого значения до номинальной скорости). Типы двигателей главного подъёма и средства управления обусловлены величинами рабочих мощностей, которые должен развивать двигатель, назначением привода и, соответственно, - функциональными свойствами и величиной капиталовложений относительно внедрения технических средств реализации электромеханических систем шахтных подъёмных установок (табл. 3.1) [20]. Таблица 3.1 – Рекомендованные области применения различных систем электропривода шахтных подъёмных установок Система электропривода

Мощность привода, кВт

Асинхронный однодвигательный Асинхронный двухдвигательный ТП-Д или ПЧ-АД, редукторный, однодвигательный ТП-Д или ПЧ-АД, редукторний, однодвигательный ТП-Д или ПЧ-СД, безредукторный ПЧ-СД, безредукторный

315-1250

Вид подъёма клетьевой скиповспомога- глав- вой тельный ный

проходческий

+ +

-

-

-

-

-

+

+

+ + +

-

+

+

+

630 - 6300

-

+ +

-

более, чем 6300

+ +

630 -2500 315 -1600 630 - 3200

-

Таким образом, в составе электроприводов шахтных подъёмных установок применяются: - двигатели постоянного тока: системы «генератор – двигатель» (Г-Д); «генератор-двигатель» с тиристорным возбудителем; «управляемый выпрямитель (тиристорный преобразователь) – двигатель» (ТП-Д). Последние являются перспективными; - асинхронные двигатели: система «преобразователь частоты – двигатель» (ПЧ-АД) с применением двигателей с короткозамкнутым ротором; реостатные и каскадные схемы (применение двигателей с фазным ротором). Последние применяются преимущественно в элек113


троприводах подземных подъёмных машин и лебёлок единичной мощности от 160 кВт до 250 кВт, включительно, и аналогичных электроприводах других подъёмных установок; - синхронные частотно-управляемые двигатели: в системах ПЧ-СД в составе электроприводов большой мощности. К вспомогательным приводам относятся: - привод маслонасоса (Р=2,2 кВт), либо пневмостанции (Р=11 кВт) системы торможения; - приводы насоса и вентилятора системы охлаждения жидкостного реостата (Р=5,5 кВт – каждого двигателя) – в составе асинхронного электропривода с реостатной системой регулирования скорости. Для коммутации двигателей вспомогательных приводов применяются шахтные магнитные пускатели. 3.2 Устройство и особенности функционирования установок шахтного подъёма с электроприводом постоянного тока Несмотря на общую тенденцию распространения управляемых электроприводов переменного тока, электропривод постоянного тока остаётся наиболее распространённым типом привода в установках шахтного подъёма большой мощности, поскольку силовые высоковольтные полупроводниковые преобразователи частоты для двигателей переменного тока мощностью, превышающей 2000 кВт отличаются чрезмерно высокой стоимостью и, по сути, являются уникальными. Обоснование принятого способа регулирования скорости двигателя постоянного тока шахтного подъёма состоит в сопоставлении известных принципов, а именно, реостатного способа регулирования, и регулирования угловой скорости якоря изменением величины питающего напряжения (рис. 3.5). Сопоставление механических характеристик двигателя постоянного тока при регулировании угловой скорости изменением напряжения питания (рис. 3.5,а) и сопротивления цепи якоря (рис. 3,5,б) с учётом колебания момента сопротивления в диапазоне: М1<Мс<М2 показывает, что оба способа позволяют получить заданную величину угловой скорости якоря, в частности, ω2. Однако, в случае увеличения сопротивления цепи якоря двигателя введением дополнительного сопротивления Rд>0, механическая характеристика машины будет терять жёсткость, что, в свою очередь, обусловливает существенно 114


бóльший диапазон Δω колебаний скорости двигателя в соответствии с колебаниями момента сопротивления в сравнении со способом регулирования скоростного режима путём изменения величины напряжения питания двигателя (рис. 3.5.а). С учётом того, что момент сопротивления шахтной подъёмной установки может существенно изменяться, а диаграмма скорости должна поддерживаться постоянной, предпочтение отдаётся способу регулирования скорости приводного двигателя постоянного тока путём изменения величины питающего напряжения.

ω

ω

U1

ω1

U2<U1

Δω

ω1

ω2

ω2

Δω

Rд>0 0 а

0 М1

Мс

М2

М

б

М1

Мс

М2

М

Рисунок 3.5 – Сопоставление механических характеристик двигателя постоянного тока при регулировании скорости изменением напряжения питания (а) и сопротивления цепи якоря (б) при колебаниях Мс

Выполненные ранее разработки систем электроприводов постоянного тока шахтных подъёмов относятся к периоду, когда силовая полупроводниковая техника отсутствовала. Поэтому в качестве источника регулируемого напряжения постоянного тока применялось электромеханическое устройство в составе генератора постоянного тока, дополнительного двигателя (как правило, синхронного двигателя (СД) для обеспечения вращения вала генератора постоянного тока, устройства регулирования тока возбуждения генератора. Это техническое решение представляет собой основу системы Г-Д (генератор – двигатель), силовая схема которой приведена на рис. 3.6. В основе 115


работы схемы - принципиальные положения относительно формирования величины ЭДС генератора (Г) постоянного тока (Е = сФω).

Е=сФω Д

Г

СД

ОВГ

ОВД

ІвГ = var --

+

ІвД --

+

Рисунок 3.6 – Силовая схема системи «генератор – двигатель» шахтного подъёма постоянного тока

+

Д

Редуктор

ОУск

ОУз

+

ОМУвых

BR

РД

_

_ ОУоб

СКА

Рисунок 3.7 – Схема применения магнитного усилителя в составе устройства автоматического управления скоростным режимом електропривода подъёма

116


Таким образом, при условии поддержания постоянной величины угловой скорости якоря генератора, величину его ЭДС (Е) можно регулировать в широком диапазоне изменением магнитного потока (Ф) – соответствующим изменением тока (ІвГ) в обмотке возбуждения(ОВГ). Управление скоростным режимом приводного двигателя постоянного тока (Д) состоит в формировании такой величины тока возбуждения генератора (Г), которая является функцией величины и знака разности между заданной и фактической скоростями привода подъёма. Эта функция может быть реализована различными техническими средствами. Рассмотрим особенности применения магнитного усилителя в составе устройства автоматического управления скоростным режимом шахтного подъёма (рис. 3.7). Заданная диаграмма скорости привода шахтной подъёмной установки формируется электромеханическим устройством на основе применения ретардирующего диска (РД). Диаграмма скорости движения подъёмного сосуда выражена в форме профиля этого диска, который, вращаясь, отклоняет подвижную обмотку сельсинного командоаппарата (СКА) на пропорциональный угол. Ретардирующий диск выполняет полный оборот за время цикла движения подъёмного сосуда, либо на протяжении интервала разгона привода до номинальной скорости. При этом подвижная, обмотка СКА отклоняется диском (РД) на величину угла, пропорциональную заданной скорости, и на выходной обмотке СКА формируется пропорциональное напряжение. Выходной ток СКА (являющийся параметром задания скорости) после выпрямления подаётся на обмотку управления ОУз магнитного усилителя. С целью компенсации отклонения фактической скорости движения от заданной во встречном направлении в обмотку управления ОУск вводится ток с выхода датчика скорости BR. Для ограничения ускорения и защиты подъёмной машины от перегрузок предусмотрена обратная связь по току двигателя, реализованная в качестве пропорционального тока в обмотке управления ОУоб. Ток выходной обмотки ОМУвых является функцией сравнения токов упомянутых обмоток управления и может быть подан в обмотку возбуждения генератора (ОВГ) непосредственно, либо через средства усиления (силовой магнитный усилитель; электромашинный усилитель и т.п.) [11]. Принцип применения силового магнитного усилителя поясняется схемой (рис. 3.8) [21]. Электропитание обмотки возбуждения гене117


ратора осуществляется от двух силовых трёхфазных магнитных усилителей СМУ1 и СМУ2, соединённых по мостовой схеме. Их нагрузкой является мостовая схема из двух одинаковых ветвей обмотки возбуждения генератора (ОВГ1) и двух балластных сопротивлений. Для уменьшения мощности магнитных усилителей другая обмотка возбуждения генератора (ОВГ2) подключена на его ЭДС. Электропитание обмоток управления силовых магнитных усилителей осуществляется от промежуточных магнитных усилителей МУ1 и МУ2 с обмотками управления: ОМУз – обмотка задания скорости; ОМУс – обмотка обратной связи по скорости; ОМУт – обмотка токовой отсечки; ОМУст1 и ОМУст2 - обмотки стабилизации по напряжению генератора и току якоря. Сельсинные командоаппараты для управления движением „вперед” (СКАВ) и „назад” (СКАН) приводятся в движение от профилированных дисков ретардирующего устройства, соединённого через редуктор с валом подъёмной машины и формируют напряжение соответствующее по величине профилю диска, которое подаётся на обмотку ОМУз. По окончании разгона ретардирующие диски отключаются электромагнитной муфтой от вала подъёмной машины, что обеспечивает постоянство напряжения задания скорости привода. Сельсинный командоаппарат СКАР предназначен для управления подъёмной машиной в ручном режиме. В этом случае его исходным положением должно быть такое, при котором выходное напряжение СКАР будет равно нулю. При автоматическом управлении рукоятка СКАР должна быть установлена в другом крайнем положении, при котором выходное напряжение СКАР – максимально.

118


ОЗ1

ОВГ

ОЗ2

ОМУт

ОМУс

ОМУ ст1

ОМУ ст2

СМУ 1

СМУ 2

МУ2

МУ1

ОВГ 1 СКАР

СКАВ

СКАН

ОМУз

Рисунок 3.8 – Пример применения силовых магнитных усилителей в схеме управления электроприводом шахтной подъёмной машины системы Г-Д

Несмотря на относительную простоту схемы, система управления приводом постоянного тока на основе применения силовых магнитных усилителей имеет определённые недостатки, в частности, чрезмерно большую инерционность и низкий коэффициент использования усилителей. Ограничивающим фактором относительно усиления тока выходной обмотки магнитных усилителей являются собственные усили119


тельные возможности указанных устройств. Дальнейшее развитие систем электропривода Г-Д обусловлено применением тиристорных (управляемых) выпрямителей для формирования величины тока обмотки возбуждения генератора. Отличаясь способностью передавать в нагрузку ток, превышающий 1000 А (при токе управления в несколько сотен мА), управляемый выпрямитель позволяет формировать величину тока в обмотке возбуждения генератора непосредственно в зависимости от параметра управления (например, тока выходной обмотки магнитного усилителя, соответственно рис. 3.7), без каких-либо средств усиления (рис.3.9). Современные разработки отличаются применением электронных устройств реализации рассмотренной выше функции автоматического управления электроприTV1 водом подъёма. Функциональная схема САУ скоУВ1 ростью электропривода системы Г-Д с тиристорным возбудителем представлена на рис. 3.10 [2]. Основным управляющим устройством подъёмной R1 L2 L1 машины является выполненный единым блоком ОВГ тиристорный регулятор скорости (ТРС), в состав L4 L3 которого входит узел задания направления двиУВ2 жения и уставок скорости (ЗС) с ограничителем напРисунок 3. 9 – Упрощённая силовая схема ряжения (ОН) и функциоэлектропривода Г-Д с тиристорным вознальным преобразоватебудителем на управляемых выпрямителях лем (ФП) на выходе, заУВ1 и УВ2 дающее устройство (УЗ), усилитель (У) с узлом обратных связей (ОС) и тиристорный возбудитель генератора (ТВГ). Генератор (Г) и двигатель (Д) имеют соответствующие обмотки возбуждения (ОВГ и ОВД). На вход ЗС поступает первичный сигнал управления Ucк от сельсинного командоаппарата 120


(СКА). ЗС формирует сигнал Uвх, полярность которого определяется заданным направлением движения, а величина изменяется ступенчато в результате срабатывания уровневых выключателей путевого командоаппарата. Часть этого сигнала ΔUV, соответствующая скорости 0,2 – 0,25 м/с, поступает на выход суммирующего усилителя (У) через ограничитель напряжения (ОН). Сигнал U’вх поступает так же на вход ФП, на выходе которого формируется пропорциональное напряжение Uвх, которое затем поступает на задающее устройство (УЗ). Путевой командоаппарат

ТРС ТВГ УЗ

ОВГ

Г

У

ЗС

ОВД

ТВД

Д

ОС РГІ

РТ

СКА

АСЗ

Рисунок 3.10 – Функциональная схема САУ скоростным режимом электропривода постоянного тока шахтного подъёма по схеме Г-Д с тиристорним возбудителем

Система предусматривает возможность ручного управления подъёмной машиной во время выполнения маневровых операций. В соответствии с этим, параметр Uвх (U’вх) формируется так, чтобы увеличить зону малых скоростей по траектории перемещения рукоятки управления СКА и этим повысить плавность и точность управления машиной. Задающее устройство (УЗ) формирует изменяемый в функции времени сигнал UV и выполнено по схеме, которая предусматривает программное ограничение рывка. Сигналы ΔUV, UV, а также сигналы 121


обратной связи по скорости привода (с выхода тахогенератора ТГ), других обратных связей (с выхода ОС) суммируются усилителем (У). Команда на начало движения поступает в ЗС от схемы управления и технологического контроля (СУТ), в которой анализируется информация о ходе процессов разгрузки и загрузки подъёмных сосудов. Одновременно СУТ формирует команды на: растормаживание машины – через регулятор давления (РД) и на увеличение возбуждения двигателя до номинальной величины в тиристорный возбудитель ТВД, питающий соответствующую обмотку возбуждения ОВД подъёмного двигателя. Для исключения возможного рывка и кратковременного обратного хода на период страгивания вводится ограничение по заданию скорости и тока якоря двигателя посредством герконового реле гашения интеграторов задатчика (РГИ), при включении которого обеспечивается UV=0 независимо от величины сигнала Uвх и уменьшается в узле задания обратных связей (ОС) до заданной величины уставка токовой отсечки. Устранение ограничений целесообразно выполнять по скорости двигателя и по времени, поскольку фиксирование начала движения машины является наиболее достоверной информацией о её готовности к дальнейшему увеличению скорости. Для этого используется чувствительный усилитель с соответствующим реле на выходе (элементы аппарата токовой защиты подъёмного двигателя (АТЗ). Вход этого усилителя подключен на напряжение тахогенератора (ТГ). Срабатывание выходного реле усилителя происходит при скорости подъёмного сосуда 0,1-0,15 м/с, достижение которой обеспечивает сигнал ΔUV. Алгоритм управления процессами при остановке подъёмной машины состоит в следующем. Из СУТ подаются команды: в ЗС – на ограничение скорости до нулевого значения; в усилитель АТЗ на повышение уставки отключения до 0,5 – 0,7 м/с. В случае, если скорость подъёмного сосуда уменьшится до этой величины, реле выхода усилителя АТЗ отключается и это приводит к соответствующим переключениям в СУТ. В результате, ТРС переводится в режим снижения тока якоря, ток возбуждения двигателя существенно уменьшается и, впоследствии машина стопорится механичным тормозом.

122


Дальнейшим шагом на пути совершенствования электропривода постоянного тока стало применение системы «управляемый выпрямитель – двигатель» (рис. 3.11). В соответствии со схемой, функция регулирования напряжения питания цепи якоря приводного двигателя перенесена с генератора постоянного тока (схема Г-Д) на управляемый выпрямитель. Вращение двигателя в обоих направлениях обеспечивается работой соответствующего управляющего выпрямителя (УВ1 или УВ2). Регулирование выходного напряжения выпрямителя производится фазовым способом в диапазоне от нуля до номинального, что, в свою очередь, обеспечивает достижение любого уровня скорости якоря двигателя в пределах полного скоростного диапазона. Система „тиристорный преобразователь – двигатель” (ТП-Д) отличается от схемы Г-Д повышенной надёжностью и ресурсом (поскольку из силовой части выведены, как минимум, два электромеханических устройства – генератор постоянного тока и TV1 синхронный двигатель, а их функции пеУВ1 реданы стационарному устройству – управляемому выпрямителю), повышенL1 ным быстродействием L2 + отработки управлящих команд, поскольку поОВД Д стоянная времени УВ УВ2 и системы его управL4 ления является горазL3 до меньшей в сравнении с соответствующими параметрами цепи генератора Рисунок 3.11 – Упрощённая силовая схема сипостоянного тока и стеми «тиристорный преобразователь – двигаустройств управления тель» (ТП-Д) величиной его ЭДС.

123


W1 TV1

W2

D1

W3

D2 C1

ТП1

ТП2

M

C2

ОВД

L C2

C1

ОВД

M D1

D2

б Рисунок 3.12 – Последовательная (а) и параллельная (б) схемы подключения якоря двигателя к 12-пульсному реверсируемомуТП

124


К недостаткам привода по системе ТП-Д следует отнести создание пульсирующего тока в сети при значительных углах α отпирания тиристоров ТП, что обусловливает уменьшение КПД и увеличение электрических потерь в сети. Имеет место также существенное влияние на качество напряжения сети со стороны бросков реактивной мощности в процессе пуска, повышение падения напряжения в сети при пуске двигателя высокой мощности, генерация высших гармоник в сеть, что является негативным фактором воздействия на другие электропотребители. Одним из способов устранения этих недостатков является применение 12-пульсной схемы выпрямителей (рис. 3.12). Такой электропривод состоит из двух 6-пульсных преобразователей (управляемых выпрямителей), один из которых подключен к питающей обмотке трансформатора, соединённой по схеме «звезда», а другой – к обмотке, соединённой по схеме «треугольник». Этим обеспечивается формирование напряжения на нагрузке (якоре двигателя) с фазовым смещением векторов на 300. Типовым примером применения 12-пульсного преобразования является схема преобразователя серии DCS600 [16]. При использовании этого преобразователя якорь приводного двигателя постоянного тока может быть подключенным последовательно между двумя мостовыми схемами выпрямителей (рис. 3.12, а), либо быть присоединённым к ним в соответствии с параллельной конфигурацией с применением Т-образного дросселя (рис. 3.12,б). 3.3 Устройство и особенности функционирования установок шахтного подъёма с частотно-управляемыми двигателями Принципы управления скоростными параметрами подъёмных машин путём регулирования частоты питающего напряжения двигателей реализованы в схемах частотно-управляемых асинхронных электроприводов. Эффективным техническим решением является частотно-управляемый электропривод на основе применения преобразователя частоты серии ACS 800. Этот привод имеет мощность 2800 кВт при номинальном линейном напряжении сети 660 В [2; 20]. В приводе применён преобразователь частоты типовой схемы – со звеном постоянного тока, содержащий неуправляемый выпрямитель, контур постоянного тока и инвертор (рис. 3.13). В зависимости от модификации схема инвертора может быть выполнена на: 125


- управляемых тиристорах (GTO – Gate-Turn Off Thyristor); - биполярных управляемых транзисторах с открытым затвором (IGBT – Insolated Gate Bipolar Transistor); - интегрированных управляемых тиристорах (IGCT – Integrated Gate Thyristor). Отличительной особенностью преобразователя ACS 800 является функция непосредственного управления моментом двигателя (DTC – Direct Torque Control). Таким образом, регулируемыми параметрами двигателя в процессе работы преобразователя являются магнитный поток и вращающий момент. Это даёт возможность создавать максимальный начальный момент и управлять его величиной. В процессе работы магнитный поток асинхронного двигателя автоматически адаптируется к нагрузке. На интервалах формирования полуволн трёхфазной системы напряжений регулируемой частоты на выходе преобразователя группы задействованных силовых полупроводниковых пирборов не имеют фиксированной частоты (программы) переключений, т.е., коммутируются не в соответствии с режимом широтно-импульсной модуляции. В процессе регулирования скорости СД, как и применительно к АД при частотном регулировании, должны быть выполнены условия постоянства отношения величины напряжения, подаваемого на статор, к его частоте (U/f = const). Однако применение СД отличается постоянством угловой скорости ротора в широком диапазоне нагрузок, что упрощает стабилизацию скорости привода при колебаниях нагрузки. Это позволяет не применять замкнутые системы автоматического управления скоростным режимом привода и использовать исключительно разомкнутые системы управления скоростью на основе регулирования величины и частоты напряжения на выходе преобразователя. Силовая схема электропривода шахтного подъёма системы ПЧСД, разработанного ОАО „Электропривод” (Российская Федерация) с использованием оборудования фирмы „SIEMENS”, приведена на рис. 3.15.

126


выпрямитель

инвертор

Звено постоянного тока

TV

а

М

+ Рисунок 3.13 – Силовая схема ПЧ на базе GTO (а) и схема инвертора на IGBT (б)

М

_

б

Электропитание статорных обмоток СД осуществляется от непосредственного преобразователя частоты (НПЧ), выполненного по 12-пульсной схеме с присоединением преобразовательных тиристорных секций НПЧ1 и НПЧ2 к выходным обмоткам соответствующих трансформаторов TV1 и TV2. Формирование постоянного тока в обмотке возбуждения СД осуществляется от трансформатора TV3 и управляемого выпрямителя УВ. В процессе работы каждая из обмоток статора шинным коммутатором (КШ) подключена к отдельной тиристорной секции. Непостредственный преобразователь частоты, отличаясь относительно упрощённой схемой, имеет определённые недостатки, а именно: -ограничение максимального уровня выходной частоты напряжения; - низкий коэффициент мощности; - искривление формы напряжения питающей сети из-за генерации широкого спектра гармоник; - необходимость применения дополнительных фильтрокомпенсирующих устройств. Поэтому предпочтение отдаётся применению преобразователей частоты со звеном постоянного тока с функцией непосредственного управления вращающим моментом двигателя, описанных выше. 127


Вкл. / Откл.

Контроллер заданного потока

Компаратор потока

Контроллер заданного момента

Компаратор момента

Сигналы ошибки момент, поток. Сигнал управления КоммутаБлок коммуторы

Задание

Выпрямитель

~ =

таторов

Напряжение

Фактич. частота вращения

Контур частоты вращения

Математич. модель двигателя

Инвертор

= ~

Контур момента

Ток статора

Двигатель

Рисунок 3.14 – Блок-схема непостредственного управления моментом (DTC) в частотно-управляемом электроприводе подъёмной машины

Общие преимущества электропривода по системе ПЧ-СД – следующие: - СД отличается значительно меньшей материалоёмкостью (медь, трансформаторная сталь) в сравнении с машиной постоянного тока; - отсутствие коллектора – важный фактор обеспечения высокой надёжности двигателя и уменьшения трудоёмкости обслуживания; - повышенная перегрузочная способность СД в сравнении с машинами постоянного тока; - обеспечение диапазона регулирования скорости 100:1 без пульсаций момента; 128


- более высокий средний КПД привода (0,94 против 0,89 двигателя постоянного тока); - возможность интегрального исполнения, когда статор и ротор двигателя располагаются во внутреннем объёме органа навивки каната подъёмной машины.

TV2

TV1 БПЧ1

TV3

БПЧ2

КВ

Рисунок 3.15 – Однолинейная схема электропривода шахтной подъёмной установки по системе ПЧ-СД [2]

3.4 Устройство и особенности функционирования установок шахтного подъёма при использовании асинхронных двигателей с фазным ротором Асинхронный электропривод подъёмных машин на основе применения двигателей с фазным ротором достаточно распространён в горной промышленности. Управление скоростным режимом в этом приводе, как правило, производят, используя реостатный или каскадный способы регулирования. 129


В практике построения и эксплуатации электроприводов с асинхронными двигателями с фазным ротором мощностью 250 кВт включительно распространены жидкостные реостаты (рис. 3.16) с плавным регулированием величин сопротивлений цепи ротора двигателя и, соответственно, плавным перемещением его с наклонных на более жёсткие механические характеристики и с дальнейшим выходом на естественную механическую характеристику путём включения короткозамыкателя фаз ротора (рис 3.17). 4 5 6

3

11

12

2 1 7

8

9

10

13

Рисунок 3.16 – Схема компоновки жидкостного реостата ВЖР-350 1 – электролит; 2 – концы подвижных электродов (4); 3 – бак реостата; 5 – токоведущие шпильки; 6 – гибкя электрическая связь; 7 – насос; 8, 9 – электродвигатели; 10 – вентилятор; 11 – диффузор; 12 – теплообменник; 13 - трубопровод

Оборудование жидкостного реостата предусматривает применение дополнительных вспомогательных электромеханических устройств перемещения ножей реостата, охлаждения электролита (насос и вентилятор, соответственно). Всё это является факторами, снижающими показатели надёжности и ресурса электропривода с жидкостными реостатами. Реостатный принцип управления с применением жидкостного реостата реализуется в электроприводах шахтных подземных подъёмных машин (одноконцевых откаток) при задании скоростного режима электропривода вручную. 130


ω0

3 2

0

1

М

Рисунок 3.17 - Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при управлении скоростным режимом при помощи жидкостного реостата 1 – естественная статическая характеристика двигателя; 2 – статическая характеристика рабочего органа машины; 3 – пусковая характеристика двигателя

Вариант схемы управления асинхронным электроприводом при применении управляющего двигателя постоянного тока (М2) приведен на рис. 3.18 [11]. Электроды (ножи) реостата ВЖР перемещаются двигателем М2, который воздействует через малоинерционный редуктор (Р). Принцип отработки управляющей команды машиниста подъёма при ручном управлении может быть рассмотрен на примере использования магнитного усилителя в качестве устройства управления. В структуре магнитного усилителя предусмотрены четыре обмотки управления ОУ1 – ОУ4, где обмотка ОУ3 выполняет функцию смещения МУ на рабочую часть характеристики. Устройством возбуждения двигателя М2 является обмотка LM2. Обмотки управления ОУ1 и ОУ2 подключены к выходам сельсинных командоаппаратов через выпрямители В1 и В2 и создают встречную направленность магнитных сил, так что при условии равных токов в этих обмотках напряжение на выходе МП будет равно нулю. В случае перемещения рукоятки управления РУ на выходе СКА1 и в обмотке ОУ1 появится ток, величина которого является вычитаемой от тока в обмотке ОУ2, что ведёт к появлению напряжения на выходе МП, движению якоря двигателя М2 с соответствующей угловой скоростью и перемещения ножей реостата ВЖР. В процессе перемещения ножей реостата осуществляется соответствующее перемещение подвижной обмотки СКА2, что, в свою очередь, изменяет величину тока в обмотке ОУ2, уменьшая разницу между токами в упомянутых обмотках управления. По мере уменьшения этой разницы величин токов уменьшается величина выходного напряжения МП и, соответственно, 131


скорость вращения двигателя М2 и перемещения ножей реостата ВЖР. Это перемещение завершается при условии возвращения МП в состояние равенства величин токов в обмотках управления ОУ1 и ОУ2.

МУ

Р СКА2

В2

В1 СКА1

Жидкостный реостат ВЖР-350

Рисунок 3.18 – Схема устройства управления движением ножей жидкостного реостата при ручном управлении приводом шахтной подземной подъёмной машины

Для ограничения движения ножей реостата предусмотрены концевые выключатели граничных положений SQ1 и SQ2. Контакты концевых выключателей зашунтированы диодами VD1 и VD2, что обеспечивает включение двигателя М2 в противоположном направлении вращения при размыкании одного из концевых выключателей. Обмотка управления ОУ4 предусмотрена для создания гибкой обратной связи по первой производной сигнала рассогласования, чем обеспечиваются благоприятные условия протекания переходных процессов. Высоковольтные асинхронные двигатели повышенной мощности комплектуются группами дополнительных металлических роторных резисторов, которые соединяются по схеме «звезда», либо «треугольник» (рис. 3.19) [2]. В процессе разгона привода отдельные группы дополнительных резисторов шунтируются включением контакторов роторной магнитной станции (контакторами ускорения КУ). 132


Подключение двигателя к высоковольтной сети (6000 В) промышленной частоты и их реверсирование выполняется посредством реверсоров, оборудованных, как правило, вакуумными контакторами. Реостатный электропривод на основе применения жидкостных реостатов является неэкономичным, морально устаревшим, имеет низкие показатели надёжности и ресурса. Альтернативным решением является применение каскадного способа регулирования скоростного режима привода, который реализуется совокупностью соответствующих комплектных устройств управления и основан на применении схемы асинхронного вентильного каскада (АВК). На рис. 3.20 приведена структурная схема комплектного электропривода шахтной подземной подъёмной установки [7]. Её основными составляющими являются следующие комплектные взрывозащищённые устройства управления: комплектное устройство КУУВДП-350 для управления цепью статора асинхронного двигателя и коммутации двигателей вспомогательных механизмов, преобразователь динамического торможения ВПДТ-400 для создания постоянного тока в двух фазах приводного асинхронного двигателя в процессе реализации режима его динамического торможения; преобразовательная схема асинхронного вентильного каскада КУУВК-350 для управления величиной скорости привода. Силовая схема КУУВДП-350 включает в себя блокировочный разъединитель, блоки автоматического выключателя, контактора и короткозамыкателя, а также блоки реверсирующих контакторов, устройства защиты от коротких замыканий (ПМЗ), перегрузки приводного двигателя (ТЗП), контроля сопротивления изоляции силового присоединения (БКИ). Эти же блоки защиты и контроля используются в составе схем шахтных пускателей и другой рудничной силовой коммутационной и распределительной аппаратуры [4;5;22]. Взрывобезопасный преобразователь динамического торможения ВПДТ-400 предназначен для возбуждения постоянным током обмоток статора асинхронного двигателя в режиме динамического торможения. Его схема содержит трёхфазный управляемый (тиристорный) выпрямитель.

133


6000 В

110 В, 50 Гц

380 В

Рисунок 3.19 – Схема управления асинхронным двигателем с фазным ротором при коммутации статора реверсором с вакуумными контакторами и соединением роторных сопротивлений в „треугольник”

134


КУУВДП350

ВПДТ400

M

КУУВК350

BR

Рисунок 3.20 – Структура комплектного взрывозащищённого электропривода шахтной подземной подъёмной машины с устройством асинхронного вентильного каскада

В режиме динамического торможения преобразователь функционирует с малым выходным напряжением (10-30 В постоянного тока), поэтому для повышения коэффициента мощности в устройстве ВПДТ предусмотрено несимметричное управление анодной и катодной группами выпрямительного моста. Фазовый угол управления тиристорами анодной группы составляет 0 эл. град, а угол управления тиристорами катодной группы может изменяться в диапазоне от 60 до 180 эл. град. [7]. ВПДТ поддерживает ток возбуждения статора двигателя в замкнутой системе регулирования (рис. 3.21). На вход контура регулирования тока статора (выходного тока управляемого выпрямителя) подаётся сигнал, пропорциональный по величине току ротора как результат работы контура регулирования скорости в режиме асинхронного вентильного каскада. Параметром ограничения величины постоянного тока возбуждения является величина номинального действующего тока статора двигателя. Силовая схема устройства КУУВК-350 состоит из подключенных последовательно диодного выпрямителя, сглаживающего дросселя и тиристорного, ведомого сетью инвертора. Этот инвертор рассчитан для подключения к сети (непосредственно или через трансформатор) и предназначен для создания регулируемой по величине 135


ЭДС, направленной встречно выпрямленному напряжению ротора, а также, - для рекуперации энергии скольжения ротора в питающую сеть в двигательном режиме и в режиме динамического торможения двигателя. ДТР M РТВ

УВ

АВК

BR

ДТВ

Рисунок 3.21 – Структурная схема асинхронного каскадного электропривода в режиме динамического торможения двигателя ДТР, ДТВ – соответственно, датчики тока ротора и выпрямителя; АВК – асинхронный вентильный каскад; РТВ – регулятор тока выпрямителя; УВ – управляемый выпрямитель; М – асинхронный двигатель; BR – датчик угловой скорости ротора двигателя

Для управления асинхронным каскадным электроприводом применена двухконтурная система подчинённого регулирования скоростью электропривода с внутренним контуром тока ротора (рис. 3.22). Она выполняет автоматическое поддержание заданной скорости в статических и динамических режимах, ограничение усилий в кинематических узлах механизмов шахтной подземной подъёмной машины. Применение каскадных схем асинхронного электропривода распространяется и на высоковольтные одно – и двухдвигательные машины шахтного подъёма повышенной мощности. Типовым образцом такого технического решения является комплектный электропривод с подключением асинхронного двигателя по схеме асинхронного тиристорного каскада (АТК) с микропроцессорной системой управления (рис. 2.23) [2].

136


M РС

РТ

BR

ТИ ВПДТ

ДТР КУУВДП

Рисунок 3.22– Структурная схема асинхронного каскадного электропривода в двигательном режиме ДТР - датчик тока ротора двигателя (М); АВК – асинхронный вентильный каскад; РТ – регулятор токов сети тиристорного инвертора (ТИ); РС – регулятор скорости привода; BR – датчик угловой скорости ротора двигателя

АТК отличается от АВК заменой нерегулируемого диодного выпрямителя в цепи ротора на тиристорный (управляемый) выпрямитель. Это придаёт электроприводу дополнительные преимущества за счёт управляемости роторного преобразователя (выпрямителя). Регулирование частоты вращения ротора двигателя производится изменением тока в цепи постоянного тока АТК. Изменение знака момента двигателя осуществляется переводом роторного и сетевого управляемых выпрямителей АТК в соответствующие области работы. Так, при условии, если угол управления роторного управляемого выпрямителя не превышает 90 эл. град, обеспечивается двигательный режим работы асинхронного двигателя. В противном случае роторный управляемый выпрямитель переводится в инверторную область, что обусловливает торможение двигателя. Указанная управляемость роторного выпрямителя обеспечивает реверс момента и скорости двигателя без изменения порядка следования фаз напряжения на зажимах его статора. Микропроцессорная система управления на программном уровне изменяет порядок формирования импульсов управления роторным выпрямителем в зависимости от выбранного направления вращения ротора. Эта система поддерживает заданный уровень скорости, параметры разгона и замедления электропривода подъёмной установки. 137


1

2

4

3 5 6

8

7 10

9 7

Микропроцессорная система управления

АТК-2

Рисунок 3.23 – Схема двухдвигательного электропривода подъёмной машины по схеме асинхронного тиристорного каскада 1, 2 – высоковольтные выключатели; 3,4 – реверсоры; 5 – редуктор; 6 - рабочий орган (барабан); 7 – подъёмные сосуды; 8 – датчик частоты вращения; 9, 10 – переключатели с основной схемы (АТК) на резервную (реостатную)

Система управления приводом выполнена по принципу подчинённого регулирования параметров (рис. 3.24). Сигнал задания вели138


чины скорости привода ωз формируется средствами автоматического управления, либо сельсинным командоаппаратом ручного управления и сравнивается с сигналом, пропорциональным фактической скорости привода, который поступает от датчика скорости. Выходной сигнал регулятора скорости (РС) поступает на блоки выделения модуля (ВМ) и выбора режима работы (ВР), определяющего величину фазового угла управления СИФУ роторного управляемого выпрямителя (РУВ). Модуль выходного сигнала регулятора скорости является объектом задания величины тока двигателя, который отрабатывается замкнутой системой автоматического регулирования тока сетевого управляемого выпрямителя (СУВ). сеть сеть TV М

РУВ

СУВ

BR

BP ВМ РС

РТ

Рисунок 3.24 – Структура системы управления электроприводом шахтной подъёмной установки по схеме асинхронного тиристорного каскада

Преимущества электропривода системы АТК в сравнении с резисторно-контакторным состоят в следующем: - непрерывная отработка задания скорости (без дополнительных переключений ); - отсутствие потерь энергии в цепи ротора и металлическом реостате; отсутствие необходимости в наличии источника тока для тормозного режима; - упрощение эксплуатации за счёт отсутствия механических элементов настройки. 139


Привод системы АТК адаптирован к известным резистивноконтакторным схемам, которые могут оставаться в его составе и использоваться в качестве резервных. Вопросы для самоконтроля 1. Каковы особенности устройства шахтных подъёмных установок скипового и клетьевого подъёма, требования к диаграммам скорости работы электроприводов шахтных подъёмов? 2. Каковы рекомендованные области применения различных систем электропривода шахтных подъёмных установок? 3. Каковы устройство и принцип действия электропривода постоянного тока по схеме «генератор – двигатель»? 4. Раскрыть особенности применения магнитного усилителя как элемента системы автоматического управления приводом по схеме «генератор – двигатель»? 5. Охарактеризовать особенности системы «генератор – двигатель» с тиристорным возбудителем. включая средства управления скоростным режимом. 6. Охарактеризовать особенности системы «тиристорный преобразователь – двигатель», включая 12-пульсные схемы преобразования. 7. Какова структура и особенности работы частотно-управляемых электроприводов шахтного подъёма с применением асинхронных и синхронных двигателей? 8. Какова структура и особенности работы шахтных подъёмных установок при использовании асинхронных двигателей с фазным ротором и реостатными схемами управления? 9. Охарактеризовать структуру и работу асинхронного каскадного электропривода (АВК) шахтных подъёмных установок. 10. Раскрыть особенности построения и принцип работы схемы электропривода «асинхронный тиристорный каскад».

140


РАЗДЕЛ 4 ЭЛЕКТРОПРИВОД КОНВЕЙЕРНОГО ТРАНСПОРТА

Учебной целью раздела является обретение студентами знаний относительно специфики устройства и эксплуатации электроприводов шахтных ленточных и скребковых конвейеров. Результатом освоения студентами материала раздела являются знания особенностей устройства электроприводов шахтных конвейеров, влияния отдельных компонентов привода на его электромеханические свойства соответственно условиям эксплуатации, принципам и техническим средствам управления плавным пуском конвейеров; перспективных направлений совершенствования электроприводов шахтного конвейерного транспорта. 4.1 Особенности устройства и эксплуатации ленточных конвейеров Одними из наиболее распространённых средств транспортирования горной массы являются ленточные конвейеры (ЛК). Как правило, они работают в продолжительном режиме и относятся к транспортным установкам непрерывного действия. Шахтные ленточные конвейеры в соответствии с производительностью, местом размещения делят на магистральные и участковые. В зависимости от направления транспортирования горной массы различают конвейеры уклонные (транспортирование с нижних горизонтов на верхние), бремсберговые (транспортирование с верхних горизонтов на нижние) и квершлаговые (транспортирование по горизонтальным и малонаклонным горным выработкам). Характер трассы существенно сказывается на величинах тяговых усилий (F) в ЛК, которые, в свою очередь, обусловливают величину расчётной мощности (P) двигателя:

P= kз Fv10-3/ηр,

(4.1)

где kз = 1,1 ÷ 1,15 – коэффициент запаса; v – скорость движения тягового органа конвейера, установившаяся после разгона привода; ηр КПД редуктора.

141


Тяговое усилие распределяется вдоль тягового органа и характеризуется величинами усилий в набегающей (Fнаб) и сбегающей (Fсб) ветвях конвейерной ленты (относительно приводного барабана). Приводной двигатель конвейера рассчитывают на преодоление силы F = Fнаб – Fсб. 4 3

F V

G

2

1

а

F V

G

б Рисунок 4.1 - Эпюры тяговых усилий горизонтально расположенного ленточного конвейера с однодвигательным приводом (а) и с применением промежуточного привода (б)

На диаграмме распределения тяговых усилий (рис. 4.1) рассмотрим несколько характерных точек. Точка 1 соответствует усилию F1 =Fсб сбегающей ветви ленты. Точка 2 соответствует усилию F2 в набегающей ветви ленты на натяжной барабан, определяемому как сумма усилия в точке 1, плюс усилие Fп.в, на преодоление сил сопротивления. порожней ветви ленты. Точка 3 соответствует усилию F3 на сбегающей ветви натяжного барабана, которое определяется как сумма усилий на сбегающей ветви (точка 2) и усилия преодоление сопротивления на натяжном барабане. Точка 4 соответствует усилию F4, равному сумме усилия F3 и усилия Fг.в. на преодоление сил сопротивления гружёной ленты конвейера. Указанные усилия определяются формулами [23;24]:

Fп.в. = (qст+qрп)Lkоп,

(4.1) 142


F2 =F1 +Fп.в. ,

(4.2)

F3 =F2kб ,

(4.3)

F4 = Fнаб =F3 +Fг.в. = F3 +(qст+qрв+qв)Lkоп,

(3.4)

где qст – вес 1 м конвейерной ленты; qрп - qрв – вес вращающихся частей роликов, соответственно, порожней и гружёной ветвей ленты; qв – вес груза, находящегося на 1 м. ленты конвейера; L – длина рабочей ветви конвейера (м); kоп – коэффициент сопротивления движению на прямолинейном участке. В соответствии с уравнением Л. Эйлера, условием исключения проскальзывания ленты относительно барабана конвейера является:

F4 = Fнаб =Fзб еμα,

(4.5)

где μ - коэффициент сцепления между лентой и барабаном; α – угол охвата барабана лентой (град.). Для конкретного конвейера максимальное соотношение параметров Fнаб и Fсб и их величины, как правило, регламентируются. В общем случае, с учётом фактического угла β наклона конвейера в соответствии с условиями расположения в горной выработке сила сопротивления движению находится из выражения [23; 25]:

Fоп= L ( kопcos β + sin β) Σq,

(4.6)

где Σq - общая линейная нагрузка на 1 м длины конвейера. Величина тягового усилия находится в зависимости от производительности и длины конвейера. Поэтому для конвейеров значительной протяжённости не целесообразно применение одной приводной станции, поскольку это приведёт к повышению усилия в приводном барабане, что предопределит необходимость применения более тяжёлой ленты, увеличения мощности привода. Эта проблема решается путём использования промежуточных электроприводов, распределённых вдоль конвейера (рис. 4.1,б). Электроприводы всех типов ленточных конвейеров оснащены асинхронными двигателями. Участковые и некоторые типы магистральных конвейеров оснащаются асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, остальная часть магистральных конвейе143


ров с приводами единичной мощности 160 ÷ 250 кВт и более, как правило, оснащена двигателями з фазным ротором. В соответствии с типом конвейера применяют различные силовые электрические устройства для обеспечения плавности пуска привода. Бремсберговые конвейеры, кроме этого, требуют применения устройств управления торможением асинхронных двигателей привода. Наибольшее распространение получили устройства индукционно-динамического торможения асинхронных двигателей. Основным рабочим тяговым органом ленточного конвейера рис. 4.2. является резинотканевая, либо резино-троссовая лента. Длина конвейера может достигать нескольких сотен метров. В условиях шахты функционируют многокилометровые конвейерные линии из нескольких последовательно расположенных конвейеров. Привод ленточного конвейера состоит из асинхронного двигателя (двигателей), редуктора, одного или нескольких приводных барабанов в соответствии с кинематической схемой их обводки (рис. 4.3, а), соединительных муфт, отклоняющих барабанов, тормоза и стопора (на наклонных конвейерах). Тяговый орган (лента) конвейеров с барабанным приводом перемещается по роликоопорам (рис. 4.3, б). Двигатель привода располагается перпендикулярно, либо параллельно (рис. 4.4) продольной оси конвейера. Наиболее простые – однобарабанные приводы применяют, преимущественно при небольшой требуемой мощности привода, при высоком коэффициенте сцепления ленты с барабаном (при использовании резиновой футеровки, в условиях сухой, незагрязнённой атмосферы и т.п.), а также в некоторых случаях на наклонных конвейерах, конструкция которых обеспечивает повышенное натяжение ленты в точке схода с барабана. Наряду с ленточными, в составе поверхностных технологических комплексов применяют канатно-ленточные конвейеры, отличающиеся значительной (до нескольких километров) протяжённостью (рис. 4.5) [27]. Принцип транспортирования материала канатноленточными конвейерами (КЛК) предусматривает разделение транспортной и приводной функции между лентой и канатами. Это обеспечивает преимущества при эксплуатации, даёт широкий выбор альтернативных вариантов при проектировании. Трасса конвейера может иметь горизонтальные и вертикальные повороты с малыми радиусами закругления. 144


145

2 4

3

Рисунок 4.2 – Типовая конструкцмя шахтного ленточного телескопического конвейера 3Л1200КСП [26] 1 – разгрузочная головка; 2 – привод; 3 – роликоопоры; 4 – лента; 5 – натяжной блок

1

5


Рисунок 4.3 - Варианты схем обводки барабанов (а) и конструкция роликоопор (б) шахтных ленточных конвейеров

б

б

а Рисунок 4.4 – Привод конвейера с продольным расположением двигателя (а) и внешний вид конвейерного асинхронного двигателя ВАОК355L6 с фазным ротором (б) 1 - электродвигатель; 2- редуктор; 3 - муфта; 4 – тормозное устройство; 5 - рама привода; 6 – соединительная цепная муфта

146


Сопоставляя ленточный конвейер с канатно-ленточным (рис.4.5), можно выделить ряд особенностей: - меньшая металлоёмкость конструкций – расстояние между магистральными опорами КЛК в 2 – 3 раза большее, чем в ленточном конвейере; - меньшее количество вращающихся элементов – количество роликоопор КЛК на единицу длины в 2 – 3 раза меньше, чем у ленточного конвейера; - меньшее количество стыковочных узлов на канатно-ленточном конвейере чем на ленточном.

Канатно-ленточный конвейер

Ленточный конвейер

Рисунок 4.5 – Сравнение канатно-ленточного конвейера с ленточным

Лента Канаты Ролики

Рисунок 4.6 – Принцип транспортирования материалу канатно-ленточным конвейером

147


Сравнивая эти конвейеры по динамическим свойствам, можно сделать вывод о том, что движение ленты КЛК будет более плавным, чем в ленточном конвейере. Это движение в ЛК сопровождается наличием волн распределения усилий различной амплитуды по всей протяжённости ленты конвейера. В КЛК тяговое усилие осуществляется не лентой, а канатами (рис. 4.6), что, соответственно, значительно уменьшает колебания ленты по всей длине конвейера.

а

б

Рисуннок 4.7 – Динамические отличия на поворотных участках а) поворотный участок канатно-ленточного конвейера б) поворотный участок ленточного конвейера

К другим положительным особенностям КЛК следует отнести отсутствие трения между роликоопорами и лентой; меньшие перемещения материала на ленте при транспортировании; увеличение допустимой скорости транспортирования. В результате, в процессе эксплуатации уменьшается износ ленты и энергопотребление. Другая важная отличительная особенность проявляется при выполнении поворотных участков в горизонтальной плоскости (рис. 4.7). Конструкция КЛК предполагает устранение смещения на кривых горизонтального радиуса, что не влияет на производительность конвейера. В ленточных конвейерах эффективность загрузки уменьшается вследствие смещения одной стороны ленты вверх, обусловленного различием в натяжении на разных сторонах ленты. В соответствии с условиями эксплуатации КЛК могут иметь кроме главного электропривода дополнительно промежуточный. Передача тягового усилия на приводные канаты производится через соответствующие шкивы, приводимые в движение асинхронными двигателями (рис. 4.8; рис. 4.9). 148


направляющие шкивы

натяжной шкив отклоняющие шкиви

канат

двигатель приводной шкив

Рисунок 4.8 – Главный привод канатно-ленточного конвейера 3

1

2

1

4

5

6

7

Рисунок 4.9 – Промежуточная двухприводная станция КСК а) фронтальный вид, б) вид сверху: 1- верхний канат; 2- нижняя лента на канатах; 3- верхняя лента, проходящая роликоопорам; 4- наклонный тормозной барабан; 5- приводные шкиви; 6- отклоняющие барабаны; 7- двигатель

149


4.2 Применение тиристорных регуляторов напряжения в устройствах управления пусковыми режимами асинхронных электроприводов ленточных конвейеров Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, благодаря приемлемым эксплуатационным характеристикам (продолжительный ресурс, относительно низкая стоимость, простота обслуживания) нашли широкое применение в системах электроприводов шахтных участковых и многих типов магистральных ленточных конвейеров. Однако, использование такого двигателя в электроприводе ленточного конвейера обостряет проблематику его пуска. Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором путём непосредственного (контакторного) подключения к питающей сети отличается работой этой электрической машины на неустойчивой части механической характеристики с последующим переходом на устойчивую (рабочую) характеристику. При этих условиях скоростной режим ротора двигателя определяется возрастающим его ускорением в начале пуска до прохождения точки критического скольжения. Такое интенсивное ускорение ротора двигателя и, соответственно, приводного барабана конвейера создаёт неблагоприятные условия для эксплуатации конвейерной ленты. Так, наличие упругого звена, каким является конвейерная лента, при интенсивном разгоне приводного барабана ведёт к появлению упругих волн деформации, значительных, многократно повторяемых динамических перегрузок в тяговом органе в процессе пуска конвейера [28]. До 1990-х годов ленточные конвейеры с асинхронным приводом (АД с короткозамкнутым ротором), производимые в СССР, не комплектовались какими-либо устройствами плавного пуска. Упомянутые выше процессы обусловливали частые порывы конвейерной ленты на интервале пуска привода (рис. 4.10), поскольку интенсивный разгон приводного барабана приводил к первоначальному натяжению набегающей ветви ленты при ослаблении сбегающей и создавал предпосылки для возникновения значительных колебаний растягивающих усилий в ленте. Для устранения этого недостатка применяют средства силовой преобразовательной техники для управления пуском асинхронного двигателя. Однако, техническое противоречие состоит в нецелесообразности применения преобразователя частоты в качестве устройства плавного пуска в святи со сложностью и высокой стоимостью системы охлаждения большого количества силовых полупроводников 150


внутри взрывобезопасного корпуса преобразователя. Более приемлемо применение маловентильной силовой тиристорной схемы (рис. 4.11) - трёхфазного тиристорного регулятора напряжения в цепи статора асинхронного двигателя. Средствами фазового регулирования (от блока управления (БУ), рис. 4.12) это позволяет изменять величину действующего напряжения на статоре двигателя в диапазоне от нуля до номинальной величины и косвенно влиять на величину угловой скорости двигателя, путём изменения его электромагнитного момента Mэм. Vб

Р

0 1c Sсб2

0

Sсб1 Vсб1

Vсб2

0 0

Рисунок 4.10 – Осциллограммы параметров пуска ленточного конвейера 1Л100К-1 при непосредственном подключении приводного двигателя мощностью 100 кВт к сети: Vб –скорость барабана конвеєра; Vсб1 ; Vсб2 – скорость сбегающей ветви ленты (параметры 1-го и 2-го датчиков); Sсб1; Sсб2 – растягивающее усилие в сбегающей ветви ленты (параметры 1-го и 2-го датчиков); P- мощность двигателя

Данный вывод следует из формулы: M эм =

m1 ⋅ U ф2 ⋅R '2 2 ⎡⎛ ⎤ R '2 ⎞ ' 2 ( ) ω1 ⋅S⋅ ⎢⎜ R 1 + + + x x ⎟ ⎥ 1 2 S ⎠ ⎢⎣⎝ ⎥⎦

,

( 4.1 )

где m1 – количество фаз; Uф – фазное напряжение статора R1 і X1 - активное и индуктивное сопротивление статора; R’2 і X’2 – приведенные 151


активное и индуктивное сопротивление ротора; s – скольжение ротора АД. Таким образом, этот процесс регулирования параметров асинхронного двигателя может быть представлен совокупностью его искусственных механических характеристик (рис. 1.17). Ленточный конвейер – машина, эксплуатация которой связана со значительным диапазоном изменения момента сопротивления в зависимости от уровня загруженности горной массой. Эта особенность препятствует применению разомкнутой системы управления тиристорами регуляРисунок 4.11 – Типовяа схема подклютора з заранее заданным зачения ТРН к статору асинхронного двиконом изменения его выгателя ходного напряжения в случае необходимости создания продолжительных (более 3 с.) интервалов разгона привода, поскольку при колебаниях момента сопротивления подвижных элементов конвейера не будет обеспечена стабильность диаграммы скорости. Поэтому приемлемой является замкнутая по параметру скорости привода система автоматического управления процессом пуска, которая реализована в тиристорном аппарате АПМ-1 (разработка ДонНТУ и НИИ «Автоматгормаш», г. Донецк) управления пуском электропривода горной машины (рис. 4.13) [10; 29]. В схеме АПМ-1 реализован принцип коррекции момента асинхронного двигателя путём изменения величины питающего напряжения промышленной частоты в зависимости от величины и знака рассогласования между заданной (блок ЗС) и фактической (блок ДС) скоростью тягового органа конвейера. Скорость реакции на рассогласование скоростных параметров должна быть обеспечена быстродействием датчика скорости, который устанавливается в редукторе конвейера и формирует импульсный сигнал, частота которого определяется частотой вращения первой шестерни редуктора. Аппарат позволяет обеспечить управляемый пуск асинхронного электропривода ленточного конвейера продолжительностью до 12 с и, кроме 152


этого, создавать режим индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя применительно к управлению приводом бремсбергового конвейера. Последнее обеспечивается совместной работой тиристоров VS2; VS3; VS7 (рис. 4.13).

Рисунок 4.12 – Осциллограммы фазных напряжения (U1) и тока (I1) статора асинхронного двигателя при фазовом регулировании напряжения питания

Применение контактора КМ в схеме АПМ-1 позволяет отключать тиристоры ТРН после завершения разгона конвейера и в дальнейшем осуществлять электропитание двигателя конвейера через этот контактор. Это способствует нормализации теплового режима тиристоров в условиях размещения в рудничном взрывобезопасном корпусе (рис. 4.14). Сопоставление осциллограмм контакторного (рис. 4.10) и управляемого (рис. 4.15) пуска привода конвейера [28] показывает, что непосредственное подключение асинхронного двигателя к сети сопровождается значительными колебаниями растягивающих усилий (Sсб) в сбегающей ветви конвейерной ленты, резкими перепадами её скорости (Vсб) - от – 0,27 м/с (замедление) до + 0,6 м/с (ускорение) при величине ускорения 0,71 м/с2. Растягивающие усилия в сбегающей ветви ленты превышают в 1,75-2,1 раза усилия установившегося 153


режима при номинальной нагрузке конвейера. Управляемый пуск конвейера сопровождается ускорением ленты: 0,173 м/с2. Приращение растягивающего усилия в сбегающей ветви ленты отличается малой интенсивностью.

БС ДТ

БЗ

ДТ VS1

VS2

VS3

VS4 VS5

БДТ

VS6

ВРБ

VS7

ТРН

ДС

СИФУ

БАУ

ЗС

КМ

Рисунок 4.13 – Структурная схема аппарата АПМ-1: ТРН – тиристорный регулятор напряжения; КМ – шунтирующий контактор; ДТ, ДС - соответственно, датчики тока и скорости; ЗС – задатчик скоростного режима разгона привода; БС; БЗ – , блоки синхронизации и защит; СИФУ - система импульсно-фазового управления; ВРБ – выходной усилительно-развязывающий блок; БАУ; БДТ – соответственно, блоки автоматического управления и индукционно-динамического торможения двигателя привода конвейера

Ограничительным фактором при применении аппарата АПМ-1 является повышенная величина потребляемого тока на интервале разгона двигателя. Поэтому в схеме АПМ-1 введены: ограничения на количество повторных пусков привода; фиксированный интервал между двумя следующими один за другим пусками.

154


а

б

Рисунок 4.14 – Внешний вид (а) аппарата АПМ-1 и компоновка регулятора напряжения в составе тиристорного модуля опытного образца этого аппарата (б)

0 0 0

Р

1c Sсб1

Sсб2 Vсб1

0 0 Vсб2

Рисунок 4.15 – Осциллограммы параметров управляемого пуска ленточного конвейера 1Л100К-1 при применении аппарата АПМ-1: Vб –скорость барабана конвеєра; Vсб1; Vсб2 – скорость сбегающей ветви ленты (параметры 1-го и 2-го датчиков); Sсб1; Sсб2 – растягивающее усилие в сбегающей ветви ленты (параметры 1-го и 2-го датчиков); P- мощность двигателя

155


Применение устройств плавного пуска электроприводов ленточных конвейеров целиком согласуется с алгоритмом работы известных систем управления шахтными конвейерными линиями, таких, как АУК-1М; АУК-2М; САУКЛ; APD-1 и т.п. [9;30;31], поскольку продолжительность плавного разгона привода ленточного конвейера не превышает задержки времени на срабатывание защиты от пробуксовки конвейерной ленты. Если в соответствии с технологией ведения работ отсутствуют жёсткие требования относительно выполнения заданной диаграммы скорости разгона приводного двигателя, то в качестве средства управления плавным пуском может быть применено устройство, выполняющее функцию «soft-start», содержащее разомкнутую систему управления величиной выходного напряжения промышленной частоты тиристорного регулятора (аппараты КУВПП-250М (рис. 4.16) [14]; УВППД-315 и т.п. В процессе разгона двигатель определённое время находится под. действием сниженного напряжения и развивает уменьшенный электромагнитный момент. Этим обусловлены низкий динамический момент привода и повышенная продолжительность работы двигателя на малых угловых скоростях (рис. 4.17). В течение этого времени двигатель потребляет повышенный ток, что является ограничением относительно продолжительности и числа последовательных (повторяющихся) пусков двигателя. Другим ограничением является невозможность системы «soft-start» обеспечить постоянство диаграммы скорости при разгоне двигателя в случае колебаний момента сопротивления привода. Поэтому приемлемой следует считать продолжительность плавного пуска асинхронного двигателя от системы «soft-start», не превышающую 3-5 с. 4.3 Устройство и особенности эксплуатации асинхронных электроприводов конвейеров с реостатными схемами управления Отдельные типы магистральных ленточных конвейеров отличаются значительной протяжённостью (несколько сотен метров) и шириной ленты (1200 мм). Это обусловливает высокую упругость тягового органа и чрезмерно большие динамические перегрузки в элементах привода и, непосредственно, в самой ленте в случае ускоренного разгона приводного барабана. Условием безаварийной эксплуатации 156


таких конвейеров является применение устройств плавного пуска. В горной промышленности широкое распространение получили средства реостатного управления приводом в процессе разгона при условии использования в качестве приводного - асинхронного двигателя с фазным ротором. ПУСК / СТОП

ДС ДС КМ2

б КМ1

ТРН

а

Рисунок 4.16 – Упрощённая структурная схема (а) и общий вид (б) устройства плавного пуска «soft-start» типа КУВПП250 УХЛ5: ДС – датчики токау, КМ – контакторы; БКЗ – блок комплекс-ной защиты; МБУ – миікропроцессорный блок управления; ТРН – тиристорный регулятор напряжения

Рисунок 4.17 – Осцилограммы тока и тахограммы разгона электродвигателя ЭКВЖ 3,5 мощностью 220 кВт. 0 Время розгона – 14 с;начальное напряжение вихода ТРН – 0,3 от номинального; величина номинального тока I – 250 А

І

ω

t

В основу этого способа положен эффект увеличения критического скольжения асинхронного двигателя при неизменной величине 157


критического момента в случае увеличения активного сопротивления в цепи ротора двигателя. Это позволяет начинать пуск конвейера при нахождении двигателя на устойчивой искусственной механической характеристике при условии, что его критическое скольжение Sкр = 1. В этом случае пусковой момент двигателя увеличивается до уровня критического момента. Увеличение скорости привода осуществляется поэтапным уменьшением величины дополнительных активных сопротивлений ротора R1; R2; R3 в диапазоне изменения момента двигателя от М2 до М1 (рис. 4.18,а) с соответствующим переводом двигателя с искусственных на естественную (ЕМХ) механическую характеристику. Применение трёхфазного жидкостного реостата (рис. 4.18,б) позволяет величины дополнительных сопротивлений в цепи ротора в процессе пуска двигателя уменьшать плавно путём опускания металлических сопротивлений (ножей реостата) в электролит.

Схемотехника привода ленточного конвейера с реостатным управлением в принципе не отличается от схемотехники аналогичного привода одноконцевой откатки и основана на использовании в цепи ротора асинхронного двигателя ящиков сопротивлений взрывобе158


зопасных (ЯСВ), последовательно соединённых с ножами жидкостных реостатов серии ВЖР (рис. 4.18). Программа плавного пуска электропривода конвейера выполняется соответствующей станцией управления, контакторы которой подключают к сети статор приводного двигателя, коммутируют тормозные электромагниты и электромагниты храпового тормоза, подключают дополнительные асинхронные двигатели привода ножей реостата, насоса и вентилятора системы охлаждения электролита ВЖР [9;11;24]. По окончании заглубления ножей ВЖР в электролит жидкостный реостат выводится из работы включением короткозамыкателя К1-К3, которым комплектуется ЯСВ. При этом, резисторы ЯСВ будут подключены к цепи ротора АД, обеспечивая смягчение его механической характеристики и повышая равномерность распределения нагрузки между двигателями конвейера в случае применения многодвигательного привода. При необходимости может быть применён отдельный короткозамыкатель (серии БКЗВ), например, в случае необходимости перевода асинхронного двигателя на ЕМХ путём замыкания между собой внешних выводов обмотки ротора. Управление приводом реостата осуществляется без обратной связи по скорости. Отличаясь простотой реализации, такая система управления не позволяет стабилизировать диаграмму скорости разгона подвижных элементов привода при колебаниях момента сопротивления рабочего органа конвейера. Рассмотренный способ реостатного пуска шахтного ленточного конвейера относится к энергоёмким (энергия скольжения ротора АД расходуется на нагрев дополнительных активных сопротивлений цепи ротора). Кроме этого, применение электромеханических и контакторных устройств для управления элементами ВЖР – фактор существенного снижения надёжности электропривода в целом. Специфические особенности проявления горного давления в шахте обусловливают необходимость дорогостоящего бетонирования специальной камеры для размещения ВЖР и, в частности, горизонтальной площадки для вертикального размещения бака ножей реостатов. Сам электролит – агрессивное вещество и в процессе использования повреждает поверхность подвижных ножей, изменяя параметры дополнительного активного сопротивления цепи ротора АД. Это обусловливает нестабильность диаграммы скорости привода и асимметрию фазных токов двигателя. К асимметрии фазных токов АД может привести неодинаковость величин отдельных дополнительных сопротив159


лений цепи ротора при подключении последних к фазам ротора двигателя, что объясняется естественным разбросом параметров разных резисторов одной и той же номинальной величины сопротивления, наличием сопротивлений болтовых соединений кабелей (шин) присоединения и т.п. СУВ-1Л-100 (СУВ-2Л-120) 25 А 250 А

10 А

реверс

25 А

25 А

Тормозные электромагниты

25 А

Электромагниты храпового тормоза или устройства натяжения ленты

ЯСВ Асинхронные двигатели насоса и вентилятора системы охлаждения электролита ВЖР

К1- К3 ВЖР

Асинхронный двигатель привода перемещения ножей ВЖР

Рисунок 4.19 – Схема подключения реостатного электропривода ленточного конвейера к станции управления СУВ-1Л-100 (СУВ-2Л-120)

Более функциональной является схема устройства УПТФ (производства АО «Estel-plus», Эстония) для управления плавным пуском асинхронного электропривода ленточного конвейера технологического комплекса поверхности (рис. 4.20) [24;32]. Применение общей сборки роторных резисторов R1-R4 на выходе управляемого выпрямителя VS1 – VS6 позволяет поддерживать симметрию фазных роторных токов двигателя, несмотря на разброс параметров самих резисторов и величины сопротивлений элементов их присоединения. Шунтирование этих резисторов поэтапной коммутацией тиристорных ключей VS7; VS8; VS9 по мере разгона двигателя отличается высоким быстродействием и не сопровождается электрическими дугами. Использование силовых полупроводниковых элементов в качестве 160


коммутационных (ключей) вместо подвижных контакторных элементов существенно повышает надёжность устройства. К ротору АД ТА ТА

КМ Блок синхронизации и защиты ротора

VS1-VS6

Блок управления и логики

N

Блок питания Блок регулирования, реле, автоматики

3 х 380 В (3 х 220 В)

К внешним цепям автоматики и защиты двигателя

VS9 VS8 VS7 R1-R4

Рисунок 4.20 – Структурная схема устройства управления плавным пуском лен точного конвейера (УПТФ) на основе применения реостатной схемы и тиристорного регулятора роторного тока

На интервалах перехода на более жёсткие статические механические характеристики по мере повышения угловой скорости ротора двигателя (в направлении 1 – 2 – ... – 5, рис. 4.21) стабилизация заданной диаграммы нарастания скорости привода обеспечивается фазовым регулированием тиристоров выпрямителя (VS1-VS6). Этим корректируется скорость привода путём соответствующего изменения электромагнитного момента двигателя регулированием величины его роторного тока. Характерной особенностью в отношении применения принципа фазового управления в цепи тиристорного регулирования величины роторного тока асинхронного двигателя является нестабильность частоты трёхфазной роторной ЭДС. В процессе пуска двигателя эта частота уменьшается от промышленной (50 Гц) до 1,5 Гц – 2,5 Гц (в зависимости от номинального скольжения ротора двигателя). В связи с этим, становится невозможным использование схем СИФУ, рассчитанных на неизменную частоту синхронизирующего сигнала. Такое техническое противоречие может быть устранено применением спе161


циальной схемы СИФУ, адаптированной к соответствующему диапазону изменения частоты входного (синхронизирующего) напряжения.

ωc

Рисунок 4.21 – Пусковая диаграмма электропривода при использовании устройства УПТФ: 1, 2,., 5 – статические механические характеристики; a-b-c-d-…-m-n-ωc – динамическая характеристика

На рис 4.22 представлена диаграмма напряжений одного канала шестиканальной СИФУ, предназначенной для управления тиристорным регулятором роторного тока [8; 33]. Формирование стабильного отношения угла α (фазовой задержки на включение тиристоров выпрямителя в цепи ротора АД) к величине периода ЭДС ротора ТЭДС соответствующей фазы (Ur) в данном случае обеспечивается путём сравнения сигнала (U3), пропорционального по величине продолжительности периода Ur с сигналом (U4), величина которого пропорциональна продолжительности полуволны соответствующего периода Ur. Регулирование величины заданного угла α обеспечивается изменением наклона импульса U3. Указанная функция стабилизации отношения α/ТЭДС может быть выполнена и другими способами, однако она необходима для осуществления процесса фазового регулирования роторного тока двигателя. Опыт экспериментальных исследований свидетельствует, что в отношении электроприводов шахтных ленточных конвейеров силовая схема (рис. 4.21) может быть существенно упрощена, поскольку достаточной является функция регулирования роторного тока двигателя при использовании одного токоограничивающего резистора в общей цепи роторного тока. Этим требованиям отвечает структурная схема 162


(рис. 4.23). Блок управления режимами (БУР) осуществляет подключение двигателя к сети (контактором КМ1), перевод двигателя на естественную механическую характеристику (включением короткозамыкателя БКЗВ) после окончания этапа разгона и формирует сигнал разрешения на работу блока задания диаграммы скорости разгона двигателя (БЗС).

Ur

ТЭДС

α

α

Рисунок 4.22 – Діаграмма напряжений канала СИФУ для управления тиристорным регулятором фазных токов в сети переменной частоты

Структура системы автоматического управления разгоном предусматривает применение одноконтурной схемы с обратной связью по скорости привода, в которой сигнал рассогласования между фактическим и заданным параметром скорости является фактором воздействия на формирователь опорного напряжения (ФОН), которое должно подаваться на СИФУ и определять соответствующую величину заданного угла α. С целью стабилизации отношения α/ТЭДС выходное напряжение ФОН (с учётом особенностей схемы СИФУ) может корректироваться в соответствии с величиной угловой скорости двигателя (что является косвенным показателем продолжительности периода роторного тока ТЭДС). Кроме реостатных, в электроприводах рассмотренных выше конвейеров могут быть так же применены устройства асинхронного вентильного каскада для управления скоростным режимом электро163


привода в процессе пуска. Устройство технических средств АВК, как правило, не содержит принципиальных отличий от аналогичных схем, применяемых для управления электроприводами подземных подъёмных машин (одноконцевых откаток), рассмотренных в разделе 3. КМ1

ФОН

БУР

БЗС

СИФУ БС ДС БКЗВ

ТРРТ

R1

Приводной блок

Рисунок 4.23 - Структурная схема устройства автоматического управления электроприводом ленточного конвейера с тиристорным регулятором роторного тока

4.4 Устройство и особенности эксплуатации электроприводов скребковых конвейеров Скребковый конвейер – основное транспортное средство в очистном забое шахты. Он может иметь один или два электропривода 1 на одном или обоих концах рештачного става 2 (рис.4.24). Каждый его привод содержит от одного до двух приводных блоков 3. В состав приводного блока входят асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 4, гидромуфта 5 и редуктор 6. Как правило, приводные блоки скребковых конвейеров оснащены трёхступенчатыми редукторами. Однако, в мировой практике существует опыт применения планетарных редукторов, которые отличаются повышенным ресурсом и позволяют в габарите обычного редуктора передать в два раза боль164


ший момент. Основным назначением гидромуфты является обеспечение плавности пуска электропривода конвейера, защита скребковой цепи 7 от порыва при стопорении. 3

6

5

3

4

1

2

1

7

Рисунок 4.24 – Устройство скребкового конвейера СП-202М

Эксплуатация скребкового конвейера отличается наличием значительных моментов сопротивления, изменяющихся в широком диапазоне, которые существенно увеличиваются в начале движения (при страгивании с места) скребковой цепи. Коэффициент трения, обусловливающий величину момента сопротивления тягового органа (kт.) зависит от конструкции конвейера, вида транспортируемого груза, его влажности, крупности и является функцией скорости движения (v) скребковой цепи: kт. = 0,62-0,2v2 + 0,07v3 [13]. Одноприводной скребковый конвейер можно представить как систему с двумя сосредоточенными массами: масса m1 – приведенная масса тягового органа и присоеРисунок 4.25– Расчётная схема процесса динённого к нему груза; пуска скребкового конвейера m2 – приведенная масса ротора двигателя и элементов передачи (рис. 4.25) [25]. Пуск скребкового конвейера можно условно розделить на три этапа. На первом этапе происходит ускоренное движение ротора двигателя и элементов трансмиссии за счёт зазоров в передаче. Угло165


вая скорость ротора двигателя в конце этого этапа (при условии равноускоренного движения) описывается уравнением:

v

= 1

F , m дв

0

(4.2)

2

где ψ0 – суммарный приведенный зазор в системе, состоящий из зазоров в зубчатых передачах, шлицевых и шпоночных соединениях, зазора между зубцами приводной звёздочки и тяговым органом; Fдв – усилие, развиваемое двигателем за счёт электромагнитного момента. На этом этапе при налички значительных зазоров в трансмиссии, в ней возникают ударные нагрузки, вызванные переменной составляющей электромагнитного момента двигателя. На втором этапе осуществляется движение ротора двигателя при налички упругой деформации трансмиссии и тягового органа до момента, когда пусковое усилие сравняется с усилием статических сопротивлений. Увеличение угловой скорости ротора определяется уравнением: m2

d2x2 dt 2

+ cx 2 − Fдв = 0 ,

(4.3)

которое интегрируется при начальных условиях: x2

t =0

= 0;

dx 2 dt

t =0

= v1 ,

(4.4)

где х2 – перемещение массы m2; с – приведенная жёсткость трансмиссии и тягового органа. Третий этап пуска - завершающий. На этом этапе движение тягового органа описывается системой уравнений: ⎫ + − + = c ( x x ) F 0 ⎪⎪ 1 2 сопр dt 2 ⎬, d2x2 − c( x 1 − x 2 ) = Fдв ⎪ m2 2 ⎪⎭ dt

m1

d 2 x1

(4.5),

где х1 – перемещение массы m1; Fсопр – усилие сопротивления перемещению тягового органа. Интенсивность разгона тягового органа конвейера при пуске обусловлена параметрами приводов, величинами сопротивлений 166


движению, которые нелинейно уменьшаются с увеличением скорости движения скребковой цепи и характеризуется значительными ускорениями подвижных элементов привода. Функциональным элементом привода конвейера, специально предназначенным для повышения плавности разгона при пуске, является гидромуфта (рис. 4.26). Её оребрённые насосное и турбинное колёса устанавливаются, соответственно, на вал асинхронного двигателя и входной вал редуктора. Полость между колёсами в корпусе муфты заполнена эмульсией. Таким образом, насосное колесо, вращаясь со скоростью вала двигателя вызывает вращательное движение эмульсии, которая, в свою очередь, воздействует на турбинное колесо, передавая на него вращающий момент двигателя. Установленные особенности воздействия гидромуфты на динамику пуска электропривода скребкового конвейера поясняются её механической характеристикой (рис. 4.27) [25; 34]: Мт = а1vy2 + a2vнvт + а3vт2, (4.6) где а1, а2, а3 - постоянные для отдельных зон семейства механических характеристик; Мт - момент на валу турбинного колеса гидромуфты; vн, vт – угловые скорости насосного и турбинного колёс.

Рисунок 4.26 – Конструкция гидромуфти ГПЭ-480 1- ведущая полумуфта; 2 – резиновая прокладка; 3, 4 – соответственно, насосное и турбинное колёса; 5 – шлицевая ступица; 6 – корпус; 7,8 – подшипники; 9 – резиновая манжета; 10 – защитная плавкая пробка; 11 – мембрана аварийной защиты от перегрузки привода

167


Близкий к номинальному момент на валу турбинного колеса гидромуфты в процессе пуска может быть получен при угловой скорости насосного колеса, близкой к номинальной. Поэтому в начале пуска двигатель конвейера разгоняется почти без нагрузки, а в конце разгона ротора движение рывком передаётся на скребковую цепь, что является фактором повышения динамических нагрузок в трансмиссии конвейера. Резкое торможение, вызванное внезапным стопорением тягового органа, является наиболее опасным режимом работы конвейера, поскольку его подвижные элементы, кроме статических сил, развиваемых двигателем за счёт электромагнитного момента, находятся под воздействием динамических сил, обусловленных интенсивным замедлением движущихся масс.

Рисунок 4.27 Совокупность механических характеристик гидромуфты 1- рабочая; 2- пусковая; 3 -при работе на стопорение

Мт

При условии, что стопорение тягового органа происходит мгновенно (заклинивающее сечение остаётся неподвижным), и в случае пренебрежения массой заклиненного участка тягового органа и упругостью трансмиссии, т.е., считая, что масса подвижных частей привода является сосредоточенной в одной точке, модель конвейера будет иметь вид, в соответствии с рис. 4.28. Характер движения конвейера и величины возникающих усилий после стопорения определяются во времени упругой деформацией u заклиненного участка тягового органа длиной l как невесомого упругого тела с твёрдостью с = E0/l [25]: 168


m

d2u dt 2

+ cu − Fдв ( v) = 0 ,

(4.7)

где m – суммарная приведенная масса привода; Fдв – усилие в тяговом органе, развиваемое m двигателем за счёт элекc Fдв тромагнитного момента; v – скорость массы привода. Оперделение максиl мального усилия в тяговом органе, развиваемого двиРисунок 4.28. - Расчётная схема гателем за счёт электропроцесса стопорения конвейера магнитного момента при стопорении скребковой цепи производится по формуле [25]:

Fmax = Fкр + (F0 − Fкр ) + cmvн2 ,

(4.8)

где Fкр - усилие соответствующее критическому моменту двигателя; F0 – усилие, развиваемое двигателем в начале торможения; vн – номинальная скорость тягового органа. Из выражения (4.8.) следует, что в момент стопорения скребковой цепи до остановки турбинного колеса гидромуфты вся её вращающаяся масса, суммируясь с массой ротора АД, вызывает значительное дополнительное растягивающее усилие, повышая общее растягивающее усилие в цепи. Исследованиями [13] установлено, что при стопорении тягового органа в приводе конвейера, оснащённом гидромуфтой, возникают колебания нагрузки и скорости вращения турбинного колеса муфты (рис. 4.29). Это обусловлено тем, что динамические нагрузки при стопорении приводят к значительным растягивающим деформациям цепи. Упругая реакция скребковой цепи после остановки турбинного колеса раскручивает его в обратном направлении, и гидромуфта работает определённое время в режиме противовключения, пока скребковая цепь не утратит некоторую часть запасённой потенциальной энергии. После этого вновь начинается движение турбинного колеса и последующее стопорение (рис. 4.30). В моломощных конвейерах колебания усилий достаточно быстро 169


угасают, однако при увеличении мощности приводов до 55 кВт колебания могут носить стационарный характер при весьма высоких амплитудах вплоть до выплавления предохранительных пробок гидромуфт. Таким образом, защитvн, с-1 ное действие гидромуфты состоит в кинематическом рассоединении валов двигателя и редуктора путём слива под давлением во внешнее пространство эмульсии (коМ·102, Н·м торая, как правило, нагрета до температуры, превышающей 100 0С) вследствие выплавления плавкой пробки. Это действие происходит в случае остановки турРисунок 4.29 – Экспериментальная пебинного колеса при условии, реходная характеристика гидромуфты что в начале стопорения не ГПЭ-345 при стопорении конвейера произошло порыва скребковой цепи конвейера. Другой характерной особенностью функционирования электропривода скребкового конвейера является работа двух приводных блоков на один вал. Рассмотрим случай, когда механические характеристики ОА и ОВ отдельных приводных блоков имеют различный угол наклона (рис. 4.31) в связи с различием номинальных скольжений sном1 и sном2. При условии совместной работы на общий вал (на характеристике ОС) при моменте сопротивления, равном удвоенному номинальному моменту каждого приводного блока (2 Мном), общее скольжение, с которым работают приводные блоки, должно находиться между наминальными скольжениями отдельных блоков: sном1 < s< sном2. Распределение моментов приводных блоков подчиняется следующим соотношениям:

М1 = 2 Мном sном2 /( sном1 + sном2), М2 = 2 Мном sном1 /( sном1 + sном2), М1 / М2 = sном2 /sном1

170

(4.9) (4.10) (4.11)


Рисунок 4.30 - Осциллограмы параметров привода двухприводного скребкового конвейера, оснащённого гидромуфтами, при стопорении [13]: Мс1; Мс2 – приведенные к турбинному колесу гидромуфты моменты сопротивления головного и хвостового приводов, Нм; М1 ; М2 – гидродинамические моменты, приложенные к турбинным колёсам головного и хвостового приводов, Нм; Р – максимальные усилия в скребковых цепях, Н; ω1; ω2 - угловые скорости двигателей, с-1; Ώ1; Ω2 - угловые скорости турбинных колёс, с-1

Таким образом, совместная работа (на один вал) двух приводных блоков с различным наклоном механических характеристик приводит к распределению нагрузки на оба приводных блока обратно пропорционально их номинальным скольжениям. Следовательно, приводной блок с более жёсткой механической характеристикой (ОА) будет находиться в состоянии перегрузки, в то время, как другой приводной блок (характеристика ОВ) будет недогружен. В практической плоскости это может привести к отказу (в связи с тепловым повреждением изоляции) двигателя перегруженного приводного блока. В случае невыполнения защитного отключения в дальнейшем удвоенный номинальный момент привода будет приложен к приводному блоку, который до этого работал с недогрузкой, и так же приведёт к повреждению его двигателя. Опасность возникновения такой ситуации вполне реальна, поскольку оба приводных блока скребкового конвейера при работе на один общий вал подключаются к сети через 171


общий магнитный пускатель, токовая защита от перегрузок которого настроена на сумму номинальных токов двигателей обоих блоков. Следовательно, защита пускателя будет не способна выявить токовую перегрузку одного из двигателей привода в то время, как другой двигатель будет работать с недогрузкой. В этом случае эффективным может быть только применение непосредственной тепловой защиты каждого из двух двигателей привода конвейера.

КАТУШЕЧНАЯ ГРУППА

КАТУШЕЧНАЯ ГРУППА

а

б

Рисунок 4.32 – Схемы обмоток статора двигателя серии ЭДКВФ: а – обмотка номинальной скорости (количество полюсов 2р = 4); б – обмотка пониженной скорости (количество полюсов 2р = 12)

Теоретически, причиной отличия номинальных скольжений приводных блоков может быть различие наклонов естественных характеристик их асинхронных двигателей. Однако, применение передовых технологий при производстве электрических машин способствует поддержанию одинаковых электромеханических показателей электродвигателей каждой серии. На практике различный наклон механических характеристик, как правило, является следствием неодинакового по объёму заполнения гидромуфт эмульсией (в результате ошибки или невнимательности персонала). Соответственно этому, гидромуфты будут иметь различные номинальные скольжения, что и будет причиной различий номинальных скольжений приводных блоков конвейера. Перспективным направлением в области создания шахтных скребковых конвейеров является применение двухскоростных асинхронных двигателей. Они имеют на одном магнитопроводе две трёхфазные статорные обмотка (в каждой – соединение по схеме «звезда» (рис. 4.32; рис. 4.33) с четырьмя и двенадцатью полюсами) и позво172


ляют получать синхронные угловые скорости ротора, соответственно, 1500 об/мин и 500 об/мин. Это существенно способствует повышению безопасности эксплуатации конвейера: пуск конвейера с кратковременной ступенью уменьшенной (в 3 раза) скорости тягового органа, вспомогательные операции по доставке оборудования и материалов в очистной забой на малой скорости. 1 2

Рисунок 4.33 – Конструкция двухскоростного асинхронного двигателя серии ЭДКВФ

Выполнение функции управляемого пуска с кратковременной ступенью пониженной скорости требует соблюдения условия стабилизации скорости привода на протяжении времени переключения статорных обмоток двигателя Пуск асинхронного двигателя методом контакторной коммутации обмотки пониженной скорости (на начальном этапе) и обмотки номинальной скорости (на завершающем этапе) характеризуется наличием свободной составляющей магнитных потоков и колебаниями электромагнитного момента двигателя на интервале переключения статорных обмоток (рис. 4.34). С целью недопущения колебаний скорости и возможной приостановки движения скребковой цепи при переключении статорных обмоток в составе конвейера применяют, как правило, два двухскоростных приводных блока, при их расположении на головном и хвостовом приводах (рис. 4.35). Это позволяет использовать положительные свойства конвейера как системы с распределёнными параметрами (скребковая цепь представляется участками в виде параллельно соединённых упругих и диссипативных элементов с массой mi, жёсткостью сi и коэффициентом демпфирования μi. Приводы представлены в 173


виде вращающихся масс с приведенными моментами инерции Jп, моментами двигателей Мд и моментами сопротивлений М с).

Рисунок 4.34 – Расчётная динамическая механическая характеристика двухскоростного асинхронного двигателя в режиме управляемого пуска методом контакторного подключения статорних обмоток малой скорости (начало пуска) и номинальной скорости (завершающий этап)

L0 c0, μ0

ω0 Mд2

Ln-1 cn-1, μn-1

L1 c1, μ1 m1

т.0 Jп1

mn ……..

т.1

т.n

Mс1 привод №1

Ln cn, μn

Ln+1 cn+1, μn+1

ωn+1 Mд2 т n+1 Mс2 Jп2 привод №2

Рисунок 4.35 – Динамическая схема 2-приводного скребкового конвейера

174


Зависимость фазного тока хвостового двигателя от времени, с

Зависимости скоростей вращения роторов двигателей от времени, с Хвостовой привод

Головной привод

Рисунок 4.36 – Расчётные диаграммы параметров пуска скребкового конвейера длиной 250 м, оснащенного двумя двигателями ЭДКФВ315М12/4 с разнесенным во времени переключением скорости приводных блоков

Алгоритм переключения приводов конвейера с меньшей скорости на номинальную предусматривает неодновременность выполнения этой операции применительно к обоим приводам. Как правило, первым на номинальную скорость переключается хвостовой привод, в то время, как головной выполняет подтягивающую функцию. Затем на номинальную скорость переключается и головной привод в то время, как хвостовой поддерживает функцию разгона (рис. 4.36). С учётом упруго-диссипативных свойств скребковой цепи это техническое решение позволяет перевести тяговый орган конвейера на номинальную скорость с малой (пусковой) без кратковременного падения скорости и без рывка. Этот алгоритм и функцию доставочных операций на уменьшенной в 3 раза скорости скребковой цепи реализуют специальные станции управления, силовая схема которых содержит контакторы включения статорных обмоток двигателей (обмоток малой и номинальной скоростей).

175


ТП

АЗ

е1

е2

Рисунок 4.37 – Расчётная схема подключения двух статоров двухскоростного асинхронного двигателя к сети учатка шахты

Эксплуатация двухскоростного АД в условиях шахтного участка отличается определёнными особенностями, которые необходимо учитывать с целью обеспечения безопасности персонала от электропоражения. В частности, поскольку обе статорные обмотки двигателя смонтированы на общем магнитопроводе, при работе двигателя имеет место трасформаторный эффект. При подключении к сети одной из статорных обмоток контактором КМ1 или КМ2 (рис. 4.37), на другой, не подключенной генерируется ЭДС, соответственно, e2 или e1 (рис. 4.38). В результате, участок сети, присоединённый к неподключенной обмотке, в которой генерируется ЭДС, будет представлять опасность электропоражения в случае касания человеком её токоведущих элементов. На схеме (рис. 4.37) сопротивление тела человека представлено активным сопротивлением Rу утечки на землю; RК; ХК – активные и ёмкостные сопротивления изоляции соответствующих кабельных присоединений; RS; ХS – активные и индуктивные сопротивления первой (индекс -1) и второй (индекс 2) обмоток статора асинхронного двигателя; Rr; Хr – активные и индуктивные сопротивления 176


его ротора; SF – автоматические выключатели - групповой и участковой трансформаторной подстанции (ТП); АЗ – аппарат защиты от утечек тока на землю [4;5; 22]. f =1650 Гц

f =650 Гц

а

б

Рисунок 4.38 – Осциллограммы вторичных ЭДС асинхронного двигателя: ЭДКФВ315М12/4 в обмотке малой скорости при подключении к сети обмотки номинальной скорости (а) и в обмотке номинальной скорости при подключении к сети обмотки малой скорости (б)

Значительные по величине амплитуды указанных ЭДС и их чрезмерно высокие частоты создают условия для возникновения опасных токов в цепи утечки тока на землю (Rу) через ёмкостные сопротивления изоляции ХК = 1/2πfС, поскольку при частотах 650 Гц и 1650 Гц эти сопротивления существенно снижены в сравнении с величинами ёмкостных сопротивлений изоляции при протекании токов промышленной частоты (50 Гц). Безопасная эксплуатация двухскоростного АД может быть осуществлена при условии подачи оперативного тока АЗ не только в цепь включенной обмотки статора, но и в цепь другой, отключенной от сети статорной обмотки двигателя. Рисунок 4.39 - Компоновка шахтного очистного механизированного комплекса на основе применеия скребкового конвейера

177


Вопросы для самоконтроля 1. Каковы особенности устройства и эксплуатации шахтных ленточных конвейеров? 2. Каковы особенности устройства и эксплуатации конвейеров с канатно-троссовым приводом? 3. Каковы особенности устройства и эксплуатации шахтных скребковых конвейеров? 4. В чём состоит применение тиристорных регуляторов напряжения в устройствах управления пусковыми режимами асинхронных электроприводов ленточных конвейеров? 5. Каковы структура и принцип действия устройства управления плавным пуском асинхронного электропривода ленточного конвейера (на примере АПМ-1)? 6. В чём заключаются особенности применения устройств «softstart» с разомкнутыми системами управления в электроприводах шахтных ленточных конвейеров? 7. В чём заключаются особенности устройства и эксплуатации асинхронных электроприводов ленточных конвейеров с реостатными схемами управления, включая схемы с тиристорными регуляторами роторного тока двигателей? 8. Какова проблематика эксплуатации и принципы построения системы импульсно-фазового управления тиристорным регулятором роторного тока асинхронного двигателя? 9. Каковы особенности эксплуатации гидромуфты в электроприводе скребкового конвейера (работа при пуске; стопорении тягового органа; влияние на параметры кинематически соединённых между собой двух приводных блоков)? 10. Каковы особенности применения двухскоростных асинхронных двигателей в электроприводе скребкового конвейера и проблематика электробезопасности их эксплуатации, требования к алгоритму переключения скоростных режимов приводных блоков в процессе разгона? 178


РАЗДЕЛ 5 ЭЛЕКТРОПРИВОД ДОБЫЧНЫХ И ПРОХОДЧЕСКИХ МАШИН

Учебной целью раздела является обретений студентами знаний относительно специфики устройства и эксплуатации электроприводов шахтных добычных и проходческих комбайнов, струговых установок, включая технические средства регулирования скоростных режимов, особенностей обеспечения защиты от электропоражения при эксплуатации частотно-управляемых асинхронных электроприводов подачи очистных комбайнов. 5.1 Особенности устройства и эксплуатации добычных комбайнов и струговых установок Добычные (очистные) комбайны и струговые установки – основной вид электромеханического оборудования, предназначенного для отделения угля и породы от горного массива с последующим перемещением горной массы на забойный скребковый конвейер. Как правило, очистные комбайны имеют встроенный электропривод резания, оснащённый одним, или двумя асинхронными двигателями, а также электропривод подачи, который может быть как непосредственно встроенным в очистной комбайн (рис. 5.1), так и входить в структуру вынесенной системы подачи (ВСП) комбайна (рис. 5.2). Электроприводы подачи комбайна могут быть нерегулируемыми по угловой скорости (оснащаются асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором) и регулируемыми по параметру скорости. В последнем случае в промышленности известны следующие технические решения: - регулируемый электропривод постоянного тока с одним или двумя двигателями подачи постоянного тока, для регулирования скоростного режима которых предусмотрен управляемый выпрямитель (выпрямители); - регулируемый электропривод переменного тока с одним или двумя асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, для регулирования скоростного режима которых предусмотрен преобразователь частоты. 179


3

12

13

7 10

12

7 4

БД

3

13 10

БД

Рисунок 5.1 – Очистной комбайн КДК-500 (ІІ типорозмер) ПБР – поворотный блок резания; БП – блоки подачиі; БД – блоки движения; 1 – двигатель резания; 2э – блок электрический (без двигателя); 2г – блок гидравлический; 3 - нагружающий щит; 4 – корпус комбайна; 5; 6 – опорные механиізмы; 7 – гидродомкрат; 8 – шнек; 9 – 10 – электродвигатели и редукторы подачи; 12; 13 – приводная і промежуточная тяговые звёздочки привода подачи

Таким образом, для очистного комбайна характерным является наличие двух электроприводов разного назначения (резания и подачи). Перемещение рабочего органа резания в соответствии с гипсометрией пласта осуществляется гидродомкратами поворотного блока резания. При этом сами двигатели привода резания в зависимости от конструкции комбайна могут быть закреплены стационарно в корпусе комбайна, либо в составе корпуса поворотного блока резания (т.е., перемещаться относительно основного корпуса 4 комбайна вместе с ПБР. Перемещение комбайна в горизонтальной плоскости осуществляется по ставу забойного конвейера за счёт вращения звёздочек привода подачи вдоль металлической цепи (при встроенном приводе подачи). В случае использования ВСП корпус комбайна закрепляется на общем цепном тяговом органе, который перемещается в горизон180


тальной плоскости приводными блоками, расположенными на верхнем и нижнем приводах забойного скребкового конвейера. 2

13

7 7

13

Рисунок 5.2 – Компоновка очистного комбайна К103М с вынесенной системой подачи:1 – электродвигатель привода резания; 2 – корпус комбайна; 3 – редуктор привода резания; 4 – поворотный блок резания; 5; 6 – опорные механизмы; 7 – портальная часть корпусной подсистемы комбайна; 8 – исполнитель-ный орган (шнек); 9 – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; 10 – электромагнитная муфта скольжения; 111; 112 – редукторные группы; 12 – общий цепной тяговый орган; 13 став скребкового конвейера

Работа очистного комбайна отличается стохастическим изменением нагрузки (момента сопротивления), что характеризуется коэффициентами вариации, которые определяются [35]: - особенностями конструкции исполнительного органа ; - силой резания на одном резце, которая зависит от хрупкопластичных свойств угля; - величинами сопротивляемости угля резанию в сечении очистного забоя и вдоль лавы; - неравномерностью подачи на очистной забой. Таким образом, расчётная мощность электродвигателя исполнительного органа комбайна определяется фактической диаграммой его нагрузок, которая, в свою очередь, зависит от организации труда, 181


горно-геологических условий, квалификации персонала. Наличие горно-геологических включений в угольном пласте приводит к многочисленным остановкам и повторным пускам приводов комбайна. Это, а так же продолжительность концевых операций влияют на уменьшение величины коэффициента машинного времени работы комбайна. В целом, режим работы двигателя исполнительного органа является повторно-кратковременным (S4) с продолжительностью включения (%):

ПВ = (tп+tр)100/Тц,

(5.1)

где tп – продолжительность пуска; tр – продолжительность работы; Тц= tп+tр+tо – продолжительность цикла; tо - продолжительность паузы. Определённым техническим противоречием относительно электроприводов очистных комбайнов является необходимость применения высокомощных электродвигателей в машине, габариты которой ограничены малым поперечным сечением очистного забоя, в котором, кроме комбайна должно быть размещено и другое технологическое оборудование. Одним из 1 эффективных решений 3 2 этого противоречия 4 является применение Рисунок 5.3 – Общий вид асинхронного двигаасинхронных двигатетеля ЭКВК4-220 (разработка УкрНИИВЭ): 1 – лей с жидкостной сискорпус, 2 – вал ротора со шлицами; 3 – кабетемой охлаждения льные вводы; 4 – штуцеры подключения сис(двигатели типажных темы водяного охлаждения рядов ЭКВЖ; ЭКВК4; ЭКВК-3,5; 2ЭКВЭ4; ЭКВ4) [36]. В зависимости от типа, в конструкции двигателя предусмотрена одноконтурная, либо двухконтурная система жидкостного охлаждения на основе применения воды в качестве хладагента, который прокачивается по внутренним каналам корпуса двигателя. При применении двухконтурной системы жидкостного охлаждения водяной 182


контур является внешним по отношению к внутреннему контуру циркуляции диэлектрической жидкости (кремнийорганические масла марки ПМС и т.п.). Эта диэлектрическая жидкость циркулирует по специальным внутренним каналам, заполняя 2/3 свободного объёма двигателя. Посредством специальной крыльчатки на валу двигателя, она находится в подвижном состоянии, охлаждая статор и ротор, и передавая тепло через стенки корпуса проточной воде. Этим обеспечивается эффективное охлаждение двигателя и создаются условия для его работы при повышенных моментах сопротивления. 3 3

4

5

4

6 5

1

2 Продольное расположение приводных блоков

7

Поперчное расположение приводных блоков

7

Рисунок 5.4 – Компоновка электроприводов струговой установки на ставе забойного скребкового конвейера 1 – струг; 2 – став забойного скребкового конвейера; 3 – двигатели; 4 – гидромуфта; 5 – редуктор; 6 – дополнительный редуктор; 7 – приводной блок скребкового конвейера

Работа струговой установки состоит в перемещении струга вдоль става забойного скребкового конвейера аналогично перемещению добычного комбайна системой ВСП (рис. 5.4). Поэтому система подачи струга содержит два приводных блока, размещённые на верхнем и нижнем приводах забойного скребкового конвейера. Устройство каждого из приводных блоков струговой установки аналогично устройству приводного блока скребкового конвейера и состоит из соединённых кинематически асинхронного двигателя з короткозамкнутым ротором, гидромуфты и редуктора. Приводной блок может быть 183


расположен как вдоль става конвейера, так и поперёк него. Ни каких средств регулирования скорости приводов струга не предусматривается. Пуск и остановка приводов обеспечивается магнитными пускателями соответствующих асинхронных двигателей. 5.2 Электропривод подачи комбайна постоянного тока Задача регулирования скорости в некоторых типах очистных комбайнов решается на основе применения регулируемых электроприводов постоянного тока. Общим положением в этом направлении является использование управляемых выпрямителей для регулирования величины напряжения питания якоря двигателя в диапазоне от нуля до номинального. Такие управляемые выпрямители в зависимости от габаритов могут быть встроенными в корпус комбайна (комбайн 1КШЭ), либо смонтированными в отдельном взрывозащищённа штреке (комбайны РКУП10; ном корпусе и установленными 1К10П) [11;35]. На структурной схеме (рис.5.5) представлены силовые цепи подключения асинхронного двигателя М1 привода резания и двигателя постоянного тока М2 привода подачи, включая элементы системы управления его скоростным режимом. Исполнительным устройством управления является управляемый (тиристорный) выпрямитель, формирующий на своём выходе напряжение постоянного тока в соответствии с командами фазовой задержки включения тиристоров, которые поступают от системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Входным параметром СИФУ является выходной ток обмотки L3 магнитного усилителя (МУ). Заданием величины скорости подачи является величина тока Із в обмотке L4 МУ. При автоматическом регулировании скорости подачи в зависимости от нагрузки двигателя привода резания имеет место сравнение в МУ параметров токов в обмотках задания скорости L4 и обратной связи по току привода резания (L1) – токов Із и Ір (Ір –выпрямленный параметр вторичного тока датчика тока ДТ1). Результирующая намагничивающая сила МУ определяется как разность намагничивающих сил указанных обмоток и создаёт на выходе МУ величину входного параметра СИФУ, что обусловливает величину напряжения на выходе выпрямителя и, тем самым, - угловую скорость двигателя М2 привода подачи. Таким образом, с увеличением нагрузки привода резания увеличивается параметр, приводящий к ограничению скорости подачи по критерию не184


превышения током Ір привода резания заданной (номинальной) величины. При уменьшении нагрузки привода резания уменьшается ток Ір в обмотке L1, что приводит к увеличению скорости подачи комбайна [11].

ДТ1 TV1 ДТ2

M1

VC1

VC2

Ір

L1

VD1 R1

+

МУ Іп

L2 L3

СИФУ

УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Із

L4

РЕВЕРСОР

ЗС

М2

L5

Рисунок 5.5 – Структурная схема автоматизованного електропривода подачи очистного комбайна с двигателем постоянного тока

Защита двигателя М2 привода подачи от перегрузки производится при помощи задержанной обратной связи по току. Выпрямленный параметр вторичного тока датчика тока ДТ2 создаёт пропорциональное напряжение на нагрузке R1 выпрямителя VC2. В случае превышения напряжением, приложенным с части резистора R1 напряжения пробоя стабилитрона VD1, последний отпирается в обратном направлении, и в обмотку L2 МУ поступает ток Іп (пропорциональный току якоря двигателя М2 привода подачи комбайна). Его действие направлено на пропорциональное ограничение скорости подачи ком185


байна, аналогично рассмотренному действию тока Ір. Этот алгоритм, кроме магнитного усилителя может быть реализован и микроэлектронными техническими средствами. Электроприводы постоянного тока очистных комбайнов являются техническими разработками, преимущественно, 1970 годов и, с учётом отрицательных показателей их эксплуатации (низкие надёжность, ресурс, высокая трудоёмкость обслуживания) и достигнутых положительных результатов в создании частотно-управляемых асинхронных электроприводов горных машин – не имеют дальнейшей перспективы развития. 5.3 Частотно-управляемый асинхронный электропривод подачи очистного комбайна Современная технология угледобычи обусловливает необходимость регулирования скорости подачи очистного комбайна. В своё время с этой целью применялись системы электропривода постоянного тока. Однако низкие эксплуатационные характеристики такого привода, искрения в коллекторном узле, низкая надёжность, высокая стоимость двигателя, его ремонта, трудоёмкость обслуживания обусловили поиск альтернативных решений. Таким решением является частотно-управляемый асинхронный электропривод подачи очистного комбайна на основе применения силового инвертора на IGBT (транзисторах) и асинхронного двигателя, отличающегося более высокой надёжностью, ресурсом, меньшими показателями стоимости и трудоёмкости обслуживания. Техническая реализация силового полупроводникового преобразователя частоты в рудничном взрывобезопасном исполнении стала возможной благодаря: компактности современных силовых полупроводниковых элементов (по два в одном модуле); обеспечению эффективного теплоотвода от полупроводниковых структур на общие металлические теплорассеиватели в результате применения специальных электроизоляторов из теплопроводной керамики (оксид бария; оксид бериллия и т.п.); удобства подготовки и передачи сигналов управления на силовые полупроводниковые приборы на основе использования специальных драйверов. Частотно-управляемые электроприводы внедрены в системах подачи очистных комбайнов, таких, как: УКД-300; КДК-500; КДК700 и имеют перспективу дальнейшего широкого использования. 186


Схема электроснабжения такого комбайна (рис. 5.6) [37; 38] предусматривает подключение двигателей резания непосредственно к участковой сети промышленной частоты, а двигателей подачи – через преобразователь частоты. Для обеспечения частотного принципа управления угловой скоростью двигателей привода подачи в структуре привода преобразователь частоты может непосредственно встраиваться в корпус комбайна, либо быть выполненным в отдельной взрывобезопасной оболочке и находиться на распределительном пункте участка. ЭДР1 ЭДР2 ЭДП1

АЗ ПЧ

ЭДП2

Рисунок 5.6 – Схема электропитания очистного комбайна с частотноуправляемыми асинхронними двигателями подачи (ЭДП) и нерегулируемями асинхронными двигателями резания (ЭДР) КТПВ – участковаяа трансформаторная подстанция; АВ – автоматический выключатель; ПВ – магнитный пускатель; С – ёмкость изоляции кабеля; АЗ – апарат защиты от утечек тока на землю

Структурно ПЧ полностью соответствует классической компоновке преобразователя со звеном постоянного тока, представленной преобразователем 1 с ёмкостным фильтром 2 на выходе (рис. 5.7) [37]. Напряжение изменяемой частоты формируется автономным инвертором напряжения 3 и подаётся на асинхронный двигатель потребителя через сглаживающий дроссель 4. В процессе формирования трёхфазной системы выходных напряжений преобразователя применяется принцип широтноимпульсной модуляции. Это поясняется следующим. Постоянное напряжение звена постоянного тока приложено к автономному инвертору напряжения, силовые транзисторные модули которого поочерёдно отпираются короткими импульсами частоты 2500 Гц. В про187


цессе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) верхний и нижний ключи каждого из параллельных звеньев инвертора (рис. 5.8) находятся в противоположном состоянии и переключаются с частотой модуляции [39]. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рисунок 5.7 – Блочно-структурная схема преобразователя частоты ПЧЭШ-60 очистного комбайна м диаграммы напряжений соответствующих функциональных блоков

Моменты включения ключей определяются сравнением модулирующего напряжения uтр (t) с заданным напряжением uзад (t). Поскольку на выходе инвертора формируется трёхфазная система напряжений заданной частоты, существует необходимость в трёх заданных напряжениях одной амплитуды со сдвигом на 1/3 периода выходной частоты: (2π / 3): uзадA (t), uзадB (t), uзадC (t), в соответствии с диаграммами (рис. 5.9). Выходным напряжением инвертора будет параметр:

uвих (t)=U·F(t),

(5.2)

где U – напряжение источника питания; F(t) – функция, определяемая законом управления силовыми ключами инвертора.

188


Рисунок 5.8 – Эквивалентная схема трёхфазного инвертора напряжения

К1-К6 – эквиваленты полупроводниковых ключей; С – ёмкость цепи постоянного тока; Z1-Z3 – полные фазные сопротивления силового присоединения

Трёхфазная система задающих напряжений описывается выражениями:

uзадA=μ·sin(2πtƒвих/ƒк)

(5.3)

uзадВ=μ·sin(2πtƒвих/ƒк-2π/3),

(5.4)

uзадC=μ·sin(2πtƒвих/ƒк-4π/3),

(5.5)

где μ – коэффициент модуляции; ƒвих – частота выходного напряжения; ƒк – частота модуляции. Модулирующее напряжение определяется выражением:

uТР(t)=-2·arcsin[sin(t-π/2)]/π.

(5.6)

Прямоугольные выходные импульсы напряжения сглаживаются выходным LC-фильтром, который создаёт эффект приближения формы выходного тока инвертора к синусоидальной. Однако прямоугольность импульсов выходного напряжения инвертора обусловливает наличие в них высокочастотных гармонических составляющих (рис. 5.10), величина и уровень частоты которых находятся в зависимости от заданной частоты. При этом, с уменьшением выходной частоты напряжения инвертора ширина выходных импульсов увеличивается, что обусловливает уменьшение уровня высокочастотной составляющей выходного напряжения инвертора.

189


Рисунок 5.9 – Диаграммы напряжений при реализации принципа синусоидальной широтно-импульсной модуляции выходного напряжения преобразователя частоты: tK1 и tК3 – время включенного состояния ключей К1 и К3; uAN(1), uBN(1), uAB(1) – величины напряжений соответствующих фаз

Напряжения uAN, uBN наряду с переменной составляющей содержат и постоянную составляющую: U/2. Линейное напряжение на выходе трёхфазного инвертора напряжения: uAВ = uAN – uBN. Его основная гармоника определяется разницей основных гармоник соответствующих напряжений, амплитуды которых равны: Um(1)=μ·(U/1). Действующее значение линейного выходного напряжения определяется выражением:

UЛ(1)=μ·[(U/2)·(√3/√2)] =μ·0,606·U

190

(5.7)


Рисунок 5.10 – Спектр выходного напряжения инвертора в относительных единицах [37]

Наличие совокупности высокочастотных составляющих в спектре выходных напряжений инвертора обусловливает существенное уменьшение ёмкостного сопротивления изоляции сети токам этих частот и создаёт дополнительную опасность электропоражения (рис.5.11) [37;40;41;42]. Кроме этого, при возникновении утечки тока на землю в цепи постоянного тока между сетью и землёй возникает дополнительный источник постоянного напряжения, ток которого Iут2 может значительно превышать величину оперативного тока Iоп аппарата защиты (АЗ) от утечек тока на землю и этим блокировать его работу (рис. 5.12). Поэтому в шахтных электросетях, в которых применяются преобразователи частоты (комбинированные электрические сети) необходимо применять специальные аппараты защиты от утечек тока на землю, к которым относится аппарат серии АЗУР-4ПП (применяется в шахтных участковых комбинированных электросетях напряжением до 1140 В, включительно) [37]. Аппарат АЗУР-4ПП представляет собой систему комплексной защиты от утечек тока на землю в комбинированной шахтной участковой электросети, отличающуюся повышенным быстродействием срабатывания при возникновении опасной утечки тока на землю (в случае касания человеком токоведущих элементов сети, находящихся под напряжением) АЗУР-4ПП производит одновременно воздействие на автоматический выключатель участковой трансформаторной подстанции, на преобразователь частоты и отключает кабельную линию, отходящую от ПЧ (при вынесенном варианте его расположения). Функциональные взаимосвязи этой системы иллюстрируются её блочно-структурной схемой (рис. 5.13).

191


Іут

Іут

0

0

t, ms

t, ms

Рисунок 5.11 - Осциллограммы тока утечки на землю в участковой сети с преобразователем частоты при частоте его выходного напряжения 5 Гц (а) и 70 Гц (б) [37]

M

УВПФ

Rут1

Rут2 Іут2

АЗ

Іут1

Рисунок 5.12 – Схема создания факторов воздействия со стороны преобразователя частоты (ПЧ) в комбинированной электросети участка шахты на работу аппарата защиты(АЗ) от утечек тока на землю УВПФ – устройство выбора повреждённой фазы; ФП – фильтр присоединенияя; М – асинхронныий двигатель потребителя; Іоп – оперативный ток АЗ; І ут – ток утечки на землю; Rут – сопротивление утечки на землю; Rш – шунтирующее сопротивление АЗ

192


В случае возникновения опасной утечки тока на землю блок 1 срабатывает и посылает команды на отключение коммутационного аппарата 4 и на срабатывание блока 8 принудительного отключения силовой полупроводниковой схемы ПЧ (6). При этом, защитную функцию будет продолжать выполнять блок 2 компенсации ёмкостных токов утечки, а блок 3 выявит повреждённую фазу и автоматически её подключит на землю через резистор малого сопротивления. Блок 8 формирует команду на отключение коммутационного аппарата 7 при возникновении тока утечки после силовых полупроводниковых элементов ПЧ. В этом случае коммутационный аппарат 7 своим контактом включит короткозамыкатель 9, который импульсно, продолжительностью до 1с. замыкает между собой три фазы на выходе ПЧ и, тем самым, прекращает действие обратной ЭДС асинхронного двигателя горной машины.

Рисунок 5.13 – Блочно-структурная схема системы АЗУР-4ПП комплексной защиты от утечек тока на землю в сети з преобразователем частоты в цепи электропитания асинхронного двигателя горной машины: 1 – блок контроля сопротивления изоляции сетиу; 2- блок компенсации ёмкостных токов утечки; 3 – блок защитно-го заземления фазы с повреждённой изоляцией; 4 – защитный коммута-ционный аппарат; 5 – трансформатор участковой подстанции; 6 – силовая полупроводниковая схема ПЧ; 7 – коммутационный аппарат; 8 – блок принудительного отключения; 9 – короткозамикатель; 10 – блок контроля сопротивления цепи постоянного тока

Участковая сеть делится на два участка, и блок 3 при этом не срабатывает, а блок 2 функционирует в штатном режиме, поддерживая безопасность эксплуатации участковой сети при возникновении указанного аварийного режима. 193


С целью устранения влияния звена постоянного тока на работу аппарата защиты при возникновении в нём опасного тока утечки на землю в связи с появлением напряжения между фазой сети и землёй, направленного встречно измерительному напряжению аппарата защиты, предусмотрен блок 10 контроля сопротивления изоляции звена постоянного тока, который при уменьшении его сопротивления изоляции ниже допустимого уровня отключает и блокирует коммутационный аппарат 7. Таким образом, эксплуатация частотно-управляемого асинхронного электропривода очистного комбайна в условиях шахты возможна только при условии применения специально адаптированного аппарата защиты от утечек тока на землю. Алгоритм управления частотно-управляемым асинхронным приводом предусматривает поддержание заданного уровня скорости подачи комбайна при ограничении нагрузки двигателей подачи и резания, а также – возможность генераторного торможения двигателей путём включения ключевого транзистора в блоке торможения (БТ) и замыканием ЭДС, созданной асинхронным двигателем, через тормозной резистор (рис.5.14) [38; 43]. У таком приводе микропроцессорная система управления выполняет векторное управление магнитным потоком и угловой скоростью асинхронного двигателя подачи комбайна. Параметр заданной величины этой скорости формируется соответствующим блоком задания параметров (БЗ). С учётом заданной величины скорости подачи, ограничивающих факторов от тока привода резания и информации о мгновенных значениях тока и напряжения статора привода подачи, исходящей от блока измерения (БИ), основной микроконтроллер (МК) микропроцессорной системы управления (МСУ) формирует управляющие команды воздействия на ключи автономного инвертора напряжения (АИН), на систему импульсно-фазового управления (СИФУ) выпрямителем (в случае применения управляемого выпрямителя), а так же на широтно-импульсный модулятор (ШИМ), регулируя тем самым частоту и величину трёхфазного напряжения в цепи статора асинхронного двигателя (двигателей) привода подачи.

194


СЕТЬ УВ АИН

БТ

БИ

ДРАЙВЕРЫ

α СИФУ

ШИМ

БЗ

Рисунок 5.14 – Функциональная схема частотно-управляемого асинхронного електропривода подачи очистного комбайна

При непревышении током привода резания заданной величины система управления поддерживает скорость подачи на уровне, заданном машинистом. При повышении нагрузки на привод резания система управления ограничивает ток этого привода на максимально допустимом уровне, уменьшая величину скорости подачи. Компактность элементов частотно-управляемого электропривода позволяет встраивать преобразователь частоты непосредственно в корпус очистного комбайна и даёт возможность применения жидкостного охлаждения силовых полупроводников преобразователя частоты. Возможно размещение преобразователей частоты и в отдельных оболочках рудничного взрывобезопасного исполнения. В этом случае ПЧ могут размещаться на штреке. Схемы таких ПЧ так же состоят из 195


звена постоянного тока и АИН, однако в некоторых разработках схема инвертора выполнена на тиристорах (рис. 1.50), что не является принципиальным для реализации частотного способа управления скоростью привода подачи комбайна. Кроме приводов подачи, вмонтированных непосредственно в структуру очистного комбайна, преобразователи частоты могут применяться и для регулирования угловой скорости вынесенных приводов подачи (ВСП) очистных комбайнов (комбайн УКД-300 и т.п), что является перспективным техническим решением. 5.4 Электропривод вынесенной системы подачи очистного комбайна с электромагнитными муфтами скольжения Наиболее распространённым техническим средством регулирования скоростных параметров вынесенной системы подачи очистного комбайна является асинхронная муфта (электромагнитная муфта скольжения). Она применяется в системах ВСП комбайнов КА80; К103М; КА200; УКД200-250 [35] и объединяет в себе функцию передачи вращающего момента от двигателя на вал редуктора (или рабочего органа) технологической установки с функцией регулирования скоростного режима электропривода при условии постоянства угловой скорости приводного электродвигателя. Таким образом, в этих электроприводах применяются, как правило, асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, пуск которых производят прямым подключением к питающей сети без каких-либо средств регулирования угловой скорости ротора. В состав электромагнитной муфты скольжения входят якорь и индуктор (рис. 5.15) [11]. Якорь представляет собой массивный стальной цилиндр или сердечник и устанавливается на валу двигателя. Соосно с якорем на валу рабочего органа (РО), либо редуктора устанавливается индуктор с обмоткой. В зависимости от конструкции якоря (цилиндр или сердечник) индуктор располагается во внутреннем объёме цилиндра якоря или имеет внешнее по отношению к якорю расположение.

196


Якорь

Индуктор

Двигатель

РО

_

+

Управляемый выпрямитель

СИФУ

Сеть

Рисунок 5.15 - Устройство управляемого электропривода с асинхронной муфтой (электромагнитной муфтой скольжения)

Обмотка индуктора питается постоянным током, который передаётся на кольца индуктора от выпрямителя. При работе двигателя якорь вращается с постоянной скоростью (угловой скоростью вала двигателя). В этом случае при наличии постоянного тока в обмотке индуктора, последний индуктирует в в якоре токи, магнитные потоки которых взаимодействуют с магнитным полем индуктора и создают вращающий момент. Таким образом, якорь муфты передаёт вращающее движение на индуктор и через него – на рабочий орган, либо редуктор привода. Величина постоянного тока регулируется управляемым выпрямителем средствами фазового управления (СИФУ) и этим обусловливает величину магнитного потока в элементах муфты и скольжение индуктора относительно вращения якоря. Этим регулируется величина угловой. скорости индуктора. Механическая характеристика асинхронной муфты обусловлена током возбуждения І в в обмотке индуктора и величиной угловой скорости ωдв вала приводного двигателя (рис. 5.16): 2

M =

m (k I в)

2

r s ( r + (x s ) ) ω (r + x x s ) 2

2

2

q

2

дв

2

2

d

2

q

197

,

(5.8)


где s – скольжение индуктора муфты; r2- активное сопротивление якоря; xd; xq – составляющие индуктивные сопротивления реакции якоря, соответственно, по поперечной и продольной осям. Таким образом, электромагнитная ω муфта скольжения ωдв позволяет выполнить І в. ном плавный пуск элек0,85І в. ном тропривода при контакторном подключении асинхронного 0,5І в. ном двигателя к сети путём плавного увели0,7І в. ном чения величины тока М возбуждения индук0 тора. Кроме этого, Рисунок 4.16 – Механические характеристики электропривод с асинхронной муфты при разных токах возбужэлектромагнитной дения І в. обмотки индуктора муфтой скольжения способен поддерживать промежуточные уровни скорости рабочего органа, а также заданные уровни скорости при условии применения замкнутой по параметру скорости системы автоматического управления (коррекция тока возбуждения индуктора в функции рассогласования заданной и фактической скорости привода). Указанные свойства использованы в электроприводе вынесенной подачи очистного комбайна. 5.5 Электропривод проходческих комбайнов Проходческие комбайны (рис.5.17) представляют собой многофункциональные мощные электромеханические комплексы, предназначенные для создания горных выработок как в угле, так и в окружающих породах. [35]. К основным производственным функциям проходческого комбайна следует отнести выемку горной массы, погрузку отбитой горной массы на средство транспортирования (скребковый перегружатель); транспортирование горной массы, перемещение самого комбайна (гусеничный ход). К сопутствующим операциям 198


следует отнести орошение горной массы, отбиваемой от массива в процессе работы комбайна.

Рисунок 5.17 – Компоновка проходческого комбайна КСП-32 1 – корпус; 2- вращающаяся турель; 3 – рама стрелы; 4; 5 – электродвигатель и редуктор исполнительного органа(6); 7 – насос; 8; 9; 10 двигатель, редуктор и звёздочка средства перемещения; 11; 12 – ленивец и гусеничная цепь средства перемещения; 13 – стол живителя; 14; 15; 16 – двигатели, редуктор и лапыи погрузчика; 17 – скребковий перегружатель с двигателями 18 и редукторами 19; 20-23– гидродомкраты

Все электроприводы функциональных узлов комбайна оснащены асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, коммутация которых осуществляется контакторами станции управления, которая находится на комбайне (рис. 5.18) и не предусматривает функцию регулирования скорости (рис. 5.19). Для подачи напряжения на станцию управления и насос орошения предусмотрены магнитные пускатели ПМ1 и ПМ2, соответственно.

199


Рисунок 5.18 – Внешний вид станции управления СУВК электроприводами проходческого комбайна Насос орошения Гесеничный ход Гесеничный ход Перегружатель Перегружатель Насос гидросистемы Порузочный орган Вентилятор пылеотсоса

Исполнительный орган

Рисунок 5.19 – Принципиальная схема силовых электрических цепей проходческого комбайна (на примере машины ПК-9Р)

200


Вопросы для самоконтроля 1. В чём состоят особенности устройства и эксплуатации очистных комбайнов, струговых установок и проходческих комбайнов? 2. Какова структура и принцип функционирования регулируемого электропривода подачи очистного комбайна с двигателями постоянного тока? 3. Какова структура и принцип функционирования частотноуправляемого асинхронного электропривода подачи очистного комбайна? 4. В чём состоит проблематика обеспечения электробезопасности эксплуатации частотно-управляемого асинхронного электропривода подачи очистного комбайна? 5. Как устроен электропривод вынесенной системы подачи очистного комбайна? 6. Каковы устройство и принцип действия электромагнитной муфты скольжения в электроприводе вынесенной системы подачи комбайна? 7. Раскрыть особенности устройства электроприводов проходческого комбайна.

201


РАЗДЕЛ 6 ЭЛЕКТРОПРИВОД ЛОКОМОТИВНОГО ТРАНСПОРТА

Учебной целью раздела является обретение студентами знаний относительно устройства и функциональных свойств электроприводов шахтных аккумуляторных и контактных электровозов и направлений их совершенствования на основе применения более эффективных электрических машин и способов управления скоростными режимами электроприводов. 6.1 Устройство и особенности эксплуатации шахтных электровозов Электровозный транспорт достаточно распространён на горных предприятиях. По способу электропитания приводных двигателей рудничные электровозы делятся на аккумуляторные и контактные (рис. 6.1). Область применения аккумуляторных электровозов – это шахты и выработки, опасные по взрыву метано-воздушной смеси или угольной пыли, где эксплуатация контактных электровозов запрещена. Базовые конструкции электровозов предусматривают применение двух приводных блоков с двигателями постоянного тока. Каждый приводной блок (рис. 6.2) представлен конструкцией из тягового двигателя постоянного тока последовательного возбуждения и редуктора, на выходном валу которого расположена колёсная пара. Подвеска приводного блока в рудничных электровозах является опорно-рамной, где ось колёсной пары является опорой для редуктора, а электродвигатель прикрепляется к раме электровоза. Электродвигатели шахтных контактных электровозов рассчитаны на номинальное напряжение (постоянного тока) 250 В и 550 В. Номинальное напряжение питания электродвигателей аккумуляторных электровозов составляет, как правило, 175 В. Типовой электропривод аккумуляторного электровоза предусматривает одновременную работу обоих приводных блоков на общую механическую систему нагружения. При этом, преимуществом двигателей последовательного возбуждения является малая жёсткость их механической характеристики с повышением её наклона при уменьшении нагрузки. В связи с этим: 202


- создаются условия для стабилизации силы тяги при колебаниях величины напряжения питания (в зависимости от состояния заряженности аккумуляторной батареи), поскольку в этом случае будет колебаться только угловая скорость вала двигателя; - нагрузка между двумя двигателями последовательного возбуждения, работающими на общую механическую систему (колёсные пары, находящиеся на рельсах), распределяется более равномерно, и работа двигателей в этих условиях – более устойчива [21; 44]. Исполнительным устройством для ручного управления скорост6 7

1

2

4

5

3

а 1

4

б

Рисунок 6.1 – Типовые конструкции шахтных електровозов а – аккумуляторного (тип АМ-8Д); б – контактного (тип К14) 1 – корпус; 2 – аккумуляторная батарея; 3 – дуговой токосъёмник; 4 – приводной блок с тяговым електродвигателем, 5 – контроллер; 6 – автоматический выключатель; 7 - фара

ными режимами приводных блоков электропривода является контроллер (рис. 6.3), в котором, в соответствии с каждым фиксированным положением рукоятки включаются и отключаются соответст203


вующие силовые контакты, коммутирующие якорные цепи приводных блоков и дополнительные резисторы [45]. Для управления скоростным режимом электропривода шахтного электровоза применяют последоДвигавательно-параллельный способ. тель Для реализации крайне малых Колёсная скоростей (начало движения, мапара невровые операции) приводные блоки подключают последоваРедуктор тельно один к другому и последовательно с ними – группы дополнительных резисторов. По мере разгона резисторы выводят из работы (шунтированием) так, что привод может быть разогнан до скорости, в 2 раза меньшей, чем Рисунок 6.2 – Опорно-рамная номинальная. При этом оба приподвеска приводного блока водных блока остаются подключенными один к другому – последовательно, и падение напряжения на каждом из них будет равно половине общего напряжения питания. В дальнейшем появляется необходимость не сопровождаемого рывком увеличения скорости привода, что осуществляется переключением приводных блоков с последовательного на параллельное соединение Эта функция реализуется переключениями в силовой цепи в соответствии с рис. 6.4. Так, третьей позиции соответствует схема из соединённых параллельно приводных блоков (с дополнительными резисторами), когда напряжение питания полностью подводится к ним. По мере дальнейшего шунтирования дополнительных резисторов достигается состояние, когда оба приводных блока оказываются подключенными непосредственно к источнику питания Группа дополнительных резисторов размещается в соответствующем корпусе (ящик сопротивлений) и располагается непосредственно на электровозе.

204


Рисунок 6.3 – Кулачковый контроллер 1 – рукоятка движения и торможения; 2 – рукоятка реверсо-ра; 3 – реверсирующий барабан; вирезы (4) и выступы (5) пластик-ових шайб; 6 – стойка з 11-ю кулачковыми контакторами; 7 - дугогасительные камеры; 8 – главный барабан; 9 – корпус

I

ОВ1

М1

+ К1

Rдоп2 ОВ2

Rдоп1

К2

_

М2

II

+

М1

Rдоп2

ОВ1 ОВ2

Rдоп1

_ М2

III

+

ОВ1

М1

К3

Rдоп2 ОВ2

_ М2

Rдоп1

Рисунок 6.4 – Схема переключенния приводных блоков рудничного электровоза с последовательного на параллельное соединение 205


6.2 Направления совершенствования электроприводов шахтных электровозов 6.2.1 Электропривод постоянного тока с импульсным регулированием напряжения Относительно низкими параметрами эксплуатационной надёжности отличается контроллер – силовой контактный коммутационный аппарат. Кроме этого, принцип реостатного регулирования скоростного режима, применённый в базовом электроприводе постоянного тока шахтных электровозов, является неэкономичным, поскольку значительная доля энергии, потреблённой от аккумуляторной батареи или контактной сети, преобразуется в тепловую энергию нагрева дополнительных резисторов. Альтернативным техническим решением является импульсный принцип управления электроприводом (рис. 6.5) [11]. Бесконтактное регулирование величины напряжения на тяговом двигателе и тока его якоря достигается путём периодического отпирания и запирания тиристора VS1, подключенного в цепи якоря двигателя М. Угловая скорость тягового двигателя обусловлена формой импульсов тока якоря, продолжительностями этих импульсов t1 и пауз t2 между ними. В совокупности указанные продолжительности определяются частотой поступления импульсов тока и представляют собой параметр скважности импульсов. Техническими средствами реализации этого принципа могут быть управляемые тиристоры; силовые транзисторы; неуправляемые тиристоры при условии применения специальной схемы их принудительного отключения (рис. 6.5,а). Такая схема предусматривает последовательную подачу отпирающих импульсов на тиристоры VS1; VS2. При открытом состоянии тиристора VS2 будет заряжен конденсатор С2 (через якорь двигателя М). Поэтому при отпирании тиристора VS1 этот конденсатор перезаряжается через данный тиристор и цепь L2-VD1 до обратной полярности, запирая тиристор VS1. Для запирания основного тиристора VS2 вновь включают тиристор VS1, через проводящую структуру которого разряжается ёмкость С2 в направлении, обратном току якоря двигателя. В период паузы через тяговый двигатель будет продолжать течь ток за счёт энергии, запасённой в двигателе и индуктивности; L1C1 – фильтр предназначен для 206


уменьшения пульсаций тока в цепи якоря при импульсном способе управления. .

+

L1

C2

VS1

M1

VS2 C1

VD2

VD1

_

L2

L3

a U; I

U

t1

t2

I

б

t

Рисунок 6.5 – Принципиальная схема устройства импульсного управления скоростным режимом двигателя постоянного тока (а) и графики напряжения и тока при импульсном управлении (б)

6.2.2 Особенности устройства высокочастотного бесконтактного средства передачи электроэнергии на электроприводы электровоза В практике совершенствования устройств рудничного локомотивного транспорта существует положительный пример применения бесконтактного электропитания двигателей рудничного электровоза токами высокой частоты. Передача электроэнергии от питающей подстанции к электровозам, находящимся в состоянии движения, осуществляется за счёт электромагнитной индукции токов высокой частоты, что поясняется схемой (рис. 6.6). Преобразовательная подстанция 1 представляет собой силовой полупроводниковый преобразователь трёхфазного тока частоты 50 Гц в однофазный ток частоты 5000 Гц. Затем этот ток подаётся в тяговую сеть 2 (два высокочастотных одножильных кабеля, закреплённых около кровли выработки над 207


рельсовой колеёй 8 симметрично относительно её оси). Эти кабели представляют собой замкнутый контур с компенсацией индуктивностей конденсаторами 3, включенными через определённые расстояния последовательно с каждым кабелем. Расстояние между линейными кабелями в сети может составлять 400 мм. Энергия тока высокой частоты от электропотребителя 4 через выпрямитель 5 поступает к электродвигателям 6. Для регулирования скоростного режима двигателя может быть задействован любой из известных способов Рисунок 6.6 – Схема высокочастотного бескон(использование регутактного питания электродвигателей шахтного лируемого тиристорэлектровоза ного выпрямителя с системой импульсно-фазового управления, импульсное управление, реостатное управление). Назначение конденсаторов 7 – компенсация ЭДС самоиндукции электромеханической системы. Рассмотренное техническое решение обеспечивает бесконтактный токосъём, что отличается повышенным ресурсом и делает невозможным искрообразование (в сравнении с процессом токосъёма при эксплуатации контактного электровоза). 6.2.3 Частотно-управляемый асинхронный электропривод шахтного электровоза Эксплуатационные преимущества асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором обусловливают целесообразность применения его в регулируемом электроприводе шахтных аккумуляторных и контактных электровозов. Определённым препятствием в развитии этого вопроса является техническое противоречие между родом тока источника питания (постоянный ток) и родом тока питания статора двигателя. Противоречие просматривается так же между величиной выходного напряжения аккумулятора (150÷170 В) или напряжения контактной сети и номинальным линейным напряжением двигателя, 208


определённым действующими нормативами (380 В; 660 В). Поэтому в составе электропривода шахтного электровоза в случае применения асинхронных двигателей и принципа частотного регулирования скорости должны быть предусмотрены адаптированные схемы преобразователей частоты. Примером такого преобразователя является схема трёхфазного вентильно-трансформаторного инвертора (рис. 6.7) [46]. В основу её работы положены принципы функционирования полупроводникового преобразователя частоты со звеном постоянного тока. В данном случае функцию этого звена выполняет аккумуляторная батарея или шахтная контактная сеть.

Рисунок 6.7 – Силовая схема трёхфазного вентильного трансформаторного инвертора

Трансформатор TV1 инвертора выполняет согласование напряжений источника и двигателя по величине. Частота трёхфазной системы выходных напряжений (на выходе А; В; С трансформатора TV1) определяется частотой и алгоритмом переключения силовых тиристоров VS1-VS4 каждой фазы инвертора. Выходные параметры данной схемы иллюстрируются осциллограммами (рис. 6.8). Скоростной режим асинхронного двигателя обусловливается частотой выходных напряжений инвертора, а его энергетические параметры корректируются введением соответствующих углов проводимости силовых тиристоров. Схемотехника инверторов может отличаться от схемы, приведенной на рис. 6.7. В частности, при использовании асинхронного двигателя, специального назначения (амплитуда линейного напряже209


ния статора двигателя равна величине выходного напряжения аккумуляторной батареи), исчезает необходимость в использовании согласующего трансформатора. При этом схема автономного инвертора приближается по структуре к соответствующим схемам силовых преобразователей, широко распространённым в промышленности (рис.1.46). U, B

100 0 -100 I, A 50

20 мс

а

0

б

-50

Рисунок 6.8 – Экспериментальные осциллограммы фазного напряжения (а) и тока (б) асинхронного двигателя (Р= 10 кВт) при питании от схемы (рис. 6.7): частота тока f = 10 Гц; угол проводимости тиристоров β = 30 0

6.2.4 Особенности применения вентильного реактивного двигателя вэлектроприводе шахтного электровоза Объективные недостатки двигателя постоянного тока, обусловленные наличием сложного в производстве и техническом обслуживании, не достаточно надёжного узла – коллектора обусловливают разработку альтернативных технических решений. Одним из них является применение вентильного реактивного двигателя (ВРД) в качестве приводной машины шахтного электровоза. ВРД представляет собой бесконтактную электрическую машину, электропитание которой производят от источника постоянного тока. Таким образом, применение этого двигателя согласуется с особенностями источника питания как аккумуляторного, так и контактного шахтного электровоза. 210


Конструкция ВРД (рис. 6.9) предусматривает наличие совокупности магнитных полюсов статора (1) и ротора (2), при этом, количество роторных магнитных полюсов меньшее, чем статорных. Среди двигателей средней мощности наиболее распространены ВРД с магнитной системой «8/6» - восемь полюсов статора и шесть – ротора [46]. Такой двигатель имеет 4 фазы, каждая из которых выполнена двумя полуобмотками, расположенными на диаметрально противоположных полюсах статора и соединёнными последовательно. Принцип работы ВРД состоит в дискретном изменении состояний электромагнитного поля в рабочем зазоре машины за счёт импульсного возбуждения обмоток полюсов статора. Это возбуждение обеспечивается силовым вентильным коммутатором (СВК), ключи 3 которого по очереди коммутируют с источником электропитания постоянного тока обмотки фазных полюсов статора ВРД и, тем самым, преобразуют напряжение постоянного тока (UDC) в систему фазных напряжений (в соответствии со схемой, рис. 6.9, напряжения UФ1 UФ4), которые прикладываются к соответствующим полюсным обмоткам статора. Таким образом, питание фазных обмоток обеспечивается однополярными импульсами напряжения. При наличии тока в паре полюсных обмоток движение направлено к состоянию, при котором её зубцы становятся соосными с зубцами возбуждённых полюсов статора. Это обусловливает угловое перемещение ротора на шаг, соответствующий смещению полюса ротора относительно полюса статора. Ступенчатому характеру изменения напряжений на фазах соответствует дискретное вращение магнитного поля в рабочем зазоре двигателя, вследствие чего движение ротора состоит из последовательных элементарных шагов [47]. Задание определённой величины угловой скорости ротора обеспечивается изменением частоты переключения статорных полюсов. Электромеханические свойства двигателя определяются, в частности, продолжительностью включенного состояния полуобмоток противоположно расположенных статорных полюсов, так, что угол поворота ротора определяется ещё и количеством, а также продолжительностью токовых импульсов в обмотках статорных полюсов.

211


U Ф3

+

U Ф1 1

U Ф2

3

2 U Ф4 ДПР

Θon ; Θoff ω

Датчики фазных токов

Рисунок 6.9 – Схема ВРД с конфигурацией магнитной системы «8/6»

_

СВК Драйверы управления

Микропроцессорное

устройство управления

Пульт управления

Управление скоростным режимом ВРД осуществляется путём задания соответствующей частоты переключения ключей СВК с учётом соответствующих начального и конечного угловых положений ротора Θon и Θoff при помощи датчика положения ротора (ДПР) и отрабатывается путём воздействия на силовые тиристорные ключи СВК через драйверы управления. 212


Наличие ДПР в схеме ВРД является обязательным, поскольку это связано с формированием информационного сигнала о пространственном положении полюсов ротора, что является необходимым для осуществления алгоритма управления полюсами статора. Кроме этого, создаётся возможность достижения высоких показателей мощности двигателя при условии упреждающего включения полюсных статорных обмоток. Датчики тока фаз ВРД выполняют вспомогательную функцию в области коррекции задания скорости двигателя при условии поддержания приемлемого режима нагрузки, защиты привода от перегрузки. Таким образом, существует несколько направлений совершенствования электропривода шахтных электровозов. Однако, принципиальным является отказ в перспективе от использования двигателей постоянного тока в качестве тяговых приводных машин в связи с относительно низким ресурсом щёточно-коллекторного узла, вероятности перерастания искрения в нём в коллекторный огонь (при ухудшении прижатия токопроводящих щёток к коллектору) с дальнейшим повреждением всей электрической машины; относительно высоким уровнем трудоёмкости обслуживания и ремонта двигателей. Перспективным следует считать применение в электроприводе электрических машин и сопровождающего электрооборудования с бесконтактными средствами передачи энергетических потоков на подвижные элементы.

213


Вопросы для самоконтроля 1. Дать определение назначения, устройства и области применения рудничных аккумуляторных и контактных электровозов. 2. Каково устройство приводного блока рудничного электровоза? 3. В чём состоит управление скоростным режимом электропривода постоянного тока шахтного электровоза при наличии реостатных средств? 4. С какой целью и каким образом производится переключение приводных блоков электровоза с последовательного на параллельное соединение? 5. Каковы направления совершенствования электроприводов шахтных электровозов? 6. В чём состоит принцип импульсного регулирования скорости электродвигателя постоянного тока? 7. В чём состоит устройство и принцип действия высокочастотных средств бесконтактной передачи энергии на электропривод шахтного электровоза? 8. В чём заключается проблематика и принципы устройства частотно-управляемого асинхронного электропривода шахтного электровоза? 9. Каковы особенности устройства и функционирования вентильного реактивного двигателя в контексте его возможного применения в перспективных разработках электроприводов шахтных электровозов?

214


РАЗДЕЛ 7 ЭЛЕКТРОПРИВОД ШАХТНЫХ СТАЦИОНАРНЫХ УСТАНОВОК

Учебной целью раздела является рассмотрение особенностей устройства и функционирования электроприводов шахтных насосных, вентиляторных и компрессорных установок. Результатом освоения студентами материала раздела являются знания принципов устройства электроприводов шахтных насосных, вентиляторных и компрессорных установок, включая схемы управления скоростными режимами этих стационарных установок. 7.1 Электропривод насосных установок Водообильность шахтных пластов обусловливает необходимость применения мощных систем водоотлива, которые состоят из насосных установок местного и главного водоотлива шахты. Наиболее распространены многоступенчатые горизонтальные секционные насосы (рис.7.1).

Рисунок 7.1 – Конструкция многоступенчатого секционного насоса ЦНС 1; 11 – подшипники; 2; 8; – граунд-буксы уплотнений; 3 - диск разгрузочный; 4 – камера водоотведения; 5 – рабочие колеса; 6 – шпилька; 7 – камера ввода воды; 9 – сальник; 10 – вал ротора; 12 – муфта; 13 – резиновый шнур; 14 – шпонка; 15 - кольцо

215


В соответствии с конструкцией рабочие колёса 5 насоса находятся на рабочем валу 10, который при помощи муфты 12 присоединяется к валу приводного двигателя. Мощность Р двигателя обусловлена величинами подачи Q 3 (м /час) и напора Н (м) насоса, и с учётом КПД насоса ηн и передачи ηп , рассчитывается по формуле [11]: Р=

kQγH

3600η

η

н

,

(7.1)

п

где k – коэффициент запаса (1.2 <k< 1,3 при Q < 160 м3/час; 1.1 <k< 1,15 при Q > 160 м3/час); γ – удельный вес шахтной воды (кН/м3).

К цепям управления

б а Рисунок 7.2 – Силовая схема (а) и внешний вид (б) высоковольтного комплектного распределительного устройства КРУВ-6

В качестве приводных используются высоковольтные или низковольтные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и прямым подключением к сети. Силовая коммутационная аппаратура 216


представлена высоковольтными комплектными распределительными устройствами РВД-6; КРУВ-6 и т.п. (рис. 7.2) при напряжении сети (и номинальном напряжении двигателя) – 6000 В, или магнитными пускателями при номинальном напряжении приводного двигателя 660 В, или 1140 В. Кроме функции силовой коммутации приводных двигателей указанные средства оснащены устройствами максимальной токовой защиты, защиты от токовых перегрузок, защитного отключения при исчезновении напряжения в сети (нулевая защита), блокировки подачи напряжения на присоединение с повреждённой изоляцией, защиты от потери управляемости в цепях дистанционного управления [4;5;22]. 7.2 Электропривод вентиляторных установок Процесс угледобычи, как правило, сопровождается выделением угольной пыли, а так же газов, которые создают опасность отравления (СО; СО2); создания взрывоопасной метано-воздушной смеси (СН4). Кроме этого, по мере углубления ведения горных работ возрастает температура окружающей среды. Всё это требует создания безопасных и комфортных условий труда персонала шахты. Так, в соответствии с действующими ПБ, воздух в горных выработках должен содержать кислород в объёме, не менее 20%; углекислый газ – не более 0,5%, а объём метана в потоке воздуха, выходящем из очистного участка, не должен превышать 1%. Всё это требует бесперебойности подачи в шахту свежего воздуха в объёме, достаточном для поддержания указанных нормативных характеристик. Подача свежего воздуха в шахту осуществляется вентиляторами главного проветривания (рис.7.3), а вентиляция тупиковых выработок производится вентиляторами местного проветривания (рис.7.4). В составе электропривода вентиляторов местного проветривания применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (серии ВРМ, или подобной) мощностью в несколько десятков кВт. Средства регулирования угловой скорости приводов вентиляторов местного проветривания отсутствуют. Режим работы вентилятора главного проветривания – продолжительный, а мощность определяется необходимой производительностью и с учётом значительной разветвлённости и протяжённости 217


горных выработок современных шахт составляет величину в несколько тысяч кВт.

11

Рисунок 7.3 – Устройство центробежного вентилятора главного проветривания шахты 1- коллектор; 2 – осевой направляющий аппарат(ОНА); 3 – входной патрубок; 4 – спиральный корпус с диффузором; 5 – рабочее колесо; 6 – главный вал

Расчётная мощность двигателя вентилятора может быть определена по формуле: P=

kQ З

р

, η Вη 10 −3

(7.2)

П

где kз – коэффициент запаса; kз = 1,05 – 1,1 – для осевых вентиляторов; kз = 1,1 – 1,15 для центробежных вентиляторов; Q - подача вентилятора м3/с; Р, - давление вентилятора, Па; ηП ; η В - КПД, соответственно, передачи и вентилятора. Существенное влияние на работу вентилятора главного проветривания оказывает вентиляционная сеть, т.е. совокупность всех выработок, по котоРисунок 7.4 – Вентилятор местного рым проходит воздух под дейстпроветривания (общий вид) вием вентиляторной установки. Эта сеть характеризуется таким параметром, как эквивалентное от218


верстие (А) – такое условное круглое отверстие, сопротивление которого является эквивалентным сопротивлению всей вентиляционной сети шахты: А = 0,38Q / p

(7.3)

В процессе эксплуатации шахты протяжённость, сечение и количество горных выработок изменяются, имеют место утечки (перетоки) воздуха между выработками, не постоянна и естественная тяга. Это обусловливает изменение сопротивления шахтной вентиляционной сети. В то же время, производственная мощность шахты так же может быть различной, может изменяться газовыделение из горных пород, их температура и температура воздуха, входящего в шахту (в различное время года). Все эти обстоятельства обусловливают изменение вентиляционного режима шахты и требуют применение регулирующих устройств, способных изменять аэродинамическую характеристику вентиляторов при поддержании достаточно высокого их КПД. Наиболее распространено регулирование производительности вентиляторов главного проветривания посредством механических устройств при неизменной частоте вращения ротора вентилятора. Этим обусловлена целесообразность применения синхронных, либо асинхронных двигателей в качестве приводных. Механическое регулирование производительности вентиляторов в этом случае производят путём поворота лопаток рабочих колёс осевых вентиляторов, изменением угла поворота направляющих аппаратов центробежных вентиляторов. Эти способы позволяют выполнить экономичное регулирование при незначительном изменении производительности вентилятора. Если же существует потребность в глубоком изменении производительности вентилятора, то при условии механического регулирования его рабочая точка переместится в зону низкого КПД, что не будет способствовать экономному энергопотреблению (рис. 7.5). Это подтверждается результатами сравнения энергопотребления вентиляторной установки (табл. 7.1) при различных средствах регулирования производительности: изменением угла поворота лопатки направляющего аппарата (00 < Θ <700; ω=495 об/мин.); изменением угловой скорости привода (250 об/мин. <ω <495 об/мин.; Θ = 00) [48]. В зависимости от конкретных условий эксплуатации и экономических факторов в горной промышленности применяются сле219


дующие виды регулируемых электроприводов вентиляторов главного проветривания шахт. - синхронный двигатель с высоковольтным преобразователем частоты; - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и с преобразователем частоты (напряжения статора); - асинхронный двигатель с фазным ротором при управлении по схеме «асинхронный вентильный каскад»; - асинхронный двигатель з фазным ротором при управлении по схеме «машина двойного питания». Одна вентиляторная установка шахты может иметь один, или два двигателя в составе одного электропривода. Таблица 7.1 – Сопоставление параметров энергопотребления при различных способах регулирования производительности вентилятора главного проветривания ВЦД47У шахты Производительность Q, м³/с

225

Мощность на валу РНА, кВт (00 < Θ <700; ω=495 об/мин)

1750 1763 1813 1875 2030 2100 2250 2500 2920

Мощность на валу Роб, кВт (250 <ω <495 (об/мин); Θ = 00)

588

Разность мощностей ΔР, кВт

1163 1013 850

250

750

275

300

325

350

375

400

425

963 1188 1510 1713 2000 2388 2920

688

520

388

250

113

0

Структура нерегулируемого электропривода вентилятора главного проветривания (на примере машины ВЦД47УН) представлена на рис. 7.6. В состав вентиляторной установки шахты входит два таких вентилятора (один – в горячем резерве). Каждый вентилятор комплектуется двумя асинхронными двигателями с фазным ротором, присоединёнными к одному валу. Их пуск осуществляется высоковольтными коммутационными устройствами (ВКУ), а управление разгоном - резисторно-контакторными станциями (РС). При этом, 220


реостатное управление применяется для повышения плавности разгона. В дальнейшем, роторы двигателей закорачиваются контакторами. Р, кВт 2700

00

2200

100 200

1700

300 700

1200

100

200

300

0

60 50

400

0

500

400

Q, м3/c

а

Р, кВт 2600

495 об/мин. 485 об/мин.

1600

465 об/мин. 450 об/мин. 400 об/мин. 350 об/мин.

1000

300 об/мин. 250 об/мин.

200 100

200

300

400

500

Q, м3/c

б Рисунок 7.5 – Аэродинамические характеристики вентилятора ВЦД47У с нерегулируемым приводом при ω=495 об/мин при установленных углах Θ поворота лопаток направляющего аппарата от 00 до 700 (а) та с регулированием привода по скорости(б) при 250 об/мин <ω <495 об/мин; Θ = 00 [48]

Применение системы «машина двойного питания» для поддержания заданного скоростного режима асинхронного двигателя с фазным ротором распространено в регулируемых электроприводах вентиляторных установок, поясняется рис.7.7 и состоит в следующем.

221


6000 В; 50 Гц Секция 1 1ВКУ1

Секция 2 1ВКУ2

2ВКУ1

2ВКУ2

Рисунок 7.6 – Структурная схема нерегулируемого электропривода установки главного проветривания шахта с асинхронными двигателями

Преобразователь частоты устанавливается между цепью ротора асинхронного двигателя и сетью электропитания. Он осуществляет управление скоростью двигателя путём регулирования мощности скольжения (что является одним из Рм СЕТЬ 6 кВ, 50 Гц экономически целесообразных споР1=(Рд/ККД)+Рр Рр/ККД собов регулирования). Кроме этого, уменьшенные в сравнении со статорными электрические параметры ротора обусловливают применение в цепи ротора преобразователя частоты меньшей стоимости. Вал двигателя На рис. 7.7 обозначены: Рм – мощность, потребляемая от сети; Рд – мощность на валу двигателя. При работе в двигательном режиме преобразователь частоты возвращает Рисунок 7.7 – Структура регулимощность скольжения ротора Рр в руемого электропривода системы питающую сеть. «машина двойного питания» Принцип работы привода по схеме «машина двойного питания» 222


состоит в следующем. В процессе работы асинхронного двигателя векторы намагничивающих сил (н.с.) его статора и ротора в пространстве должны быть неподвижны один относительно другого. Однако, н.с. статора вращается со скоростью ω0=2πf/p, а угловая скорость ωr является меньшей в соответствии с величиной скольжения s. Поэтому н.с. ротора вращается со скоростью:

ω0 - ωr =2πf s

(7.4)

Таким образом, угловую скорость вращения ротора асинхронного двигателя можно поддерживать на заданном уровне введением в роторую цепь трёхфазной ЭДС, частота которой будет определять величину скольжения машины. Практической реализацией способа «двойного электропитания» электрической машины является электропривод вентилятора главного проветривания ВЦД-47УР с преобразователями частоты типа «ЭРАТОН-ФР-1600-1150-850» на базе транзисторного автономного инвертора напряжения Секция 1; 6000 В; 50 Гц (АИН) с синусоидаль1ВКП-3 1ВКП-1 1ВКП-2 ной широтноимпульсной модуляцией (рис. 7.8). В состав преобразователя частоты входят два транзисторных инвертора. Трёхфазная цепь одного из них подключена к ротору двигателя (роторный инвертор напряжения), а фильтр фильтр другого – ко вторичной обмотке согласующего трансформатора (сетевой инвертор) через «синусРисунок 7.8 – Структура электропривода вентилятора главного проветривания с преобразоватеный» силовой LCлем частоты «ЭРАТОН-ФР» фильтр.

223


Сеть 6000 В; 50 Гц

+

TV1

Rp Датчики тока

БАУ

СИФУ _

ДТ

Управляемый выпрямитель

R

M VD1-VD2

VS2

VS1

VD3-VD4

Рисунок 7.9 – Схема устройства тиристорного возбуждения синхронного двигателя

Цепи постоянного тока обоих инверторов соединены между собой и присоединены к накопительным конденсаторам, создавая, тем самым, промежуточную цепь постоянного тока. Оба инвертора управляются по законам синусоидальной широтно-импульсной модуляции. Это обеспечивает синусоидальность формы роторного тока и тока в питающей сети. За счёт последовательного соединения двух инверторов напряжения с промежуточным звеном постоянного тока преобразователь частоты обеспечивает двусторонний обмен энергией между цепью ротора двигателя и питающей сетью. Процесс управления сопровождается регулированием тока ротора асинхронного двигателя, величины его электромагнитного момента, величины и направления потока активной мощности в цепи ротора. Такой способ обеспечивает работу двигателя в полном скоростном диапазоне (от нулевой до номинальной скорости ротора). Изменение направления потока мощности в роторе позволяет создавать режим рекуперативного торможения с отдачей энергии вращающихся масс в питающую сеть 224


В электроприводах вентиляторов главного проветривания с синхронными двигателями большой мощности должна быть корректно решена задача ввода двигателя в синхронизм в процессе пуска, который затруднён чрезмерно большим моментом инерции машины из-за большой массы ротора. В связи с этим применяются различные схемы возбуждения синхронных двигателей. Ввод синхронного двигателя в синхронизм может быть рассмотрен на примере схемы тиристорного автоматического возбудителя (рис. 7.9). В начале пуска двигателя возбуждение в состоянии неподвижного ротора – максимально, ЭДС обмотки достаточна для отпирания стабилитрона VD1 или VD4. В связи с этим на электрод управления тиристора VS1 или VS2 подаётся напряжение, что приводит к отпиранию указанного тиристора и созданию цепи протекания тока обмотки возбуждения двигателя М через резистор R. Начинается процесс асинхронного пуска синхронного двигателя М. В процессе разгона угловая скорость ротора возрастает до подсинхронной, а ЭДС обмотки возбуждения уменьшается настолько, что отпирание стабилитрона VD1 или VD4 прекращается. Тиристор VS1, или VS2 так же запирается, и в этот момент начинается работа управляемого выпрямителя, который подаёт постоянный ток в обмотку возбуждения синхронного двигателя и этим вводит его ротор в синхронизм. С целью автоматического поддержания постоянного коэффициента активной мощности сети применяют обратную связь по реактивной мощности, что осуществляется с использованием датчиков тока статора двигателя и трансформатора напряжения TV1. Эти сигналы обрабатываются в блоке автоматического управления (БАУ), на выходе которого формируется напряжение задания величины угла отпирания тиристоров управляемого выпрямителя. Этот сигнал отрабатывается системой импульсно-фазового управления (СИФУ), которая по 6-и каналам воздействует на моменты отпирания соответствующих тиристоров выпрямителя. Поддержание постоянства тока возбуждения синхронного двигателя достигается обратной связью по току возбуждения от датчика тока ДТ. Задание величины тока возбуждения может быть выполнено потенциометром Rp, который так же предназначен для управления параметрами привода вручную.

225


7.3 Электропривод компрессорных установок В зависимости от особенностей горно-геологических условий в отдельных горнах выработках и, даже, на отдельных шахтах не представляется возможным применение электрифицированных горных машин (очистных комбайнов и добычных комплексов, в целом). Это, прежде всего, относится к очистным работам на угольных пластах крутого падения, где добыча угля и сегодня ведётся отбойными молотками с использованием пневматической энергии, Кроме этого, потребителями пневматической энергии являются гировозы (локомотивы, источником движения которых является кинетическая энергия вращения маховика со значительным моментом инерции, который во вращающееся состояние приводится потоком сжатого воздуха), эрлифтные установки в шахтах с гидравлическим способом транспортирования горной массы на поверхность и некоторые другие технологические установки. Источниками пневматической энергии являются компрессоры, которые можно разделить на поршневые машины и турбокомпрессоры. Мощность электродвигателя компрессора определяется выражением [11]:

АQ Р =η η ,

(7.5)

П

К

K

А

П

=

n n −1

П

⎛ p1V 1 ⎜⎜ ⎝

( p 2 / p1)

n −1 n

⎞ ⎟, ⎟ ⎠

(7.6)

где АП – работа, которая расходуется на сжатие воздуха при политропном процессе; ; n – политропный показатель, определяемый из n выражения: pV = const ; р1 и р2 – соответственно, начальное и конечное давление воздуха; V1 – начальный объём воздуха при всасывании; Q – производительность (подача) компрессора; ηК – индикаторный КПД компрессора, учитывающий потери в нём в реальном процессе; ηП – КПД механической передачи между двигателем и компрессором. Выбранный двигатель должен иметь мощность, не меньшую, чем рассчитанная по формуле (7.5). Статическая загрузка поршневого компрессора определяется силой, действующей на поршень:

F=ΔpS, 226

(7.7)


где Δp – разность между выходным и входным давлением на поршень; S – площадь поршня. В кривошипном механизме поршневого компрессора момент сопротивления на валу носит пульсирующий характер:

МОП = ΔpSRsinωt,

(7.8)

где R – радиус кривошипа; ω – угловая скорость вала компрессора. Амплитудное значение момента сопротивления определяется выражением: МОПmax = ΔpSR (7.9) С целью уменьшения пульсирующего воздействия момента сопротивления поршневые компрессоры оснащают маховиками, либо применяют электродвигатели с повышенными моментами инерции. Производительность работы компрессорных установок, как правило, регулируют: изменением угловой скорости вала компрессора; изменением количества параллельно работающих компрессоров при постоянной угловой скорости каждого из них; дросселированием на входе компрессора. Электропривод поршневых компрессоров с нерегулируемой скоростью, как правило, является безредукторным и оснащается асинхронными, либо тихоходными синхронными двигателями. Турбокомпрессоры отличаются высокой угловой скоростью вращения вала. Они оснащаются высокоскоростными асинхронными, либо синхронными двигателями и предусматривают мультипликаторную (повышающую) механическую передачу между двигателем и рабочим органом. Широко распространённый ранее способ регулирования режимов работы турбокомпрессора дросселированием во всасывающем трубопроводе с одновременной работой его «на выхлоп» в атмосферу является неэкономичным. Поэтому предпочтение следует отдавать способам регулирования угловой скорости приводного электродвигателя (частотное управление). В некоторых случаях для регулирования скоростного режима турбокомпрессора в качестве приводного двигателя применяют асинхронный двигатель с фазным ротором, создавая систему «машина двойного питания», аналогичную описанной в п.7.2 (рис. 7.7). 227


Вопросы для самоконтроля 1. В чём состоит назначение, устройство и область применения насосов главного и местного водоотливов шахты? 2. В чём состоит назначение, устройство и область применения вентиляторов главного и местного проветривания шахты? 3. В чём состоит назначение, устройство и область применения шахтных поршневых компрессоров и турбокомпрессоров ? 4. Какое электрооборудование применяется для коммутации силовых высоковольтных цепей электроприводов насосных установок? 5. В чём состоят преимущества регулирования производительности вентилятора главного проветривания путём изменения угловой скорости приводного электродвигателя? 6. Раскрыть принципы применения асинхронного электропривода (двигатели с фазным ротором) в качестве регулируемого электропривода шахтной вентиляторной установки. 7. В чём состоят особенности построения и работы схемы «машина двойного питания» применительно к электроприводам шахтных стационарных установок? 8. Каковы области применения синхронных двигателей применительно к электроприводам шахтных стационарных установок? Как осуществляется управление пуском и разгоном синхронного двигателя, регулирование его скоростных параметров? 9. Как определяются расчётные величины мощностей электродвигателей шахтных стационарных машин и установок?

228


РАЗДЕЛ 8 БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ МАШИН И УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ

Учебной целью раздела является рассмотрение основных положений нормативных документов, которыми регламентированы принципы, организационные и технические решения относительно безопасной эксплуатации, ремонтных и наладочных работ в электроприводах машин и установок шахт и рудников. 8.1 Требования безопасности к системам управления и электроснабжения электроприводов забойных машин В соответствии с Правилами безопасности в угольных шахтах [49;50] все очистные (забойные) машины должны подключаться к сети с помощью магнитных пускателей или специальных комплектных устройств управления (КУУ). Управление этими аппаратами должно осуществляться дистанционно с пультов, расположенных на самих машинах, или вблизи их. Машины с многодвигательным приводом, для управления которым предусмотрены КУУ или ручные коммутационные устройства, должны подключаться к сети посредством пускателей с дистанционным управлением. Для подачи напряжения на забойные машины в шахтах, опасных по газу или пыли, должны применяться пускатели и КУУ с искробезопасными цепями управления [49:51]. Схема управления пускателями, предназначенными для подачи напряжения на забойные машины, должна обеспечивать: защиту от минимального напряжения; автоматический контроль заземления корпуса машины; защиту от самопроизвольного включения пускателя при замыкании в проводниках управления, электрическое блокирование, которое исключает подачу напряжения на машину при аварийном состоянии изоляции. Запрещается применять: однокнопочные посты для управления магнитными пускателями кроме случаев, когда эти посты предназначены только для отключения; схемы, допускающие пуск или подачу напряжения на них одновременно от двух и более пультов управления.

229


Перед выполнением ремонтных и вспомогательных работ на подвижных частях машин напряжение должно быть снято и приняты меры, исключающие внезапный пуск машины. Система управления машиной или комплексом машин должна обеспечивать безопасное управление из мест, обусловленных конструкцией машины (комплекса) и принятой технологической схемой ведения горных работ, как в нормальном режиме эксплуатации, так и при ремонте, техническом обслуживании. Система управления должна обеспечивать: включение машины (подачу напряжения) кратковременным воздействием на орган управления; подачу предупредительного сигнала перед началом работы машины; оперативную остановку машин и механизмов и отключение питания; аварийное отключение машины (комплекса); осуществление всех блокировок, связанных с технологией работы, а также предусмотренных для обеспечения безопасности эксплуатации машины (комплекса). В случае необходимости управления машиной из разных мест допускается наличие нескольких пультов при условии применения устройства для передачи управления с одного пульта на другие. В системе управления машинами забойного комплекса все средства контроля и защиты от возникновения производственных опасностей, связанных с включением машин или подачей напряжения, должны включаться в работу до пуска машин и до подачи (появления) напряжения в месте, где может возникнуть производственная опасность. При наличии в системе управления нескольких аварийных выключателей с дистанционным отключением они должны отключаться одновременно по команде с одного органа управления. Забойные машины с несколькими рабочими органами, общая работа которых технологически не допускается или не предполагается, должны иметь блокировочные устройства, которые запрещают одновременное включение этих рабочих органов. При дистанционном или автоматическом управлении машиной, в том числе, при управлении по радио из любого расстояния, должно предусматриваться также и управление с пульта, размещённого на машине, в режимах отладки, испытания и ремонта. Все элементы схемы управления (кнопки, выключатели, реле и т.п.), которые обеспечивают аварийное или оперативное снятие напряжения, остановку машин и механизмов, прекращение движения машин и их рабочих органов, защиту от опасных режимов работы, 230


должны работать на размыкание цепи управления. Внешние цепи схем управления аппаратами, предназначенными для подачи напряжения на электропривод машины в шахтах, опасных по газу или пыли, должны иметь искробезопасные параметры. Система управления должна обеспечивать автоматическую подачу предупредительного сигнала при воздействии на органы пуска машины или его отдельных частей. Допускается повторное включение без предупредительного сигнала, если промежуток времени после отключения перед повторным включением не превышает 5 с. Для машин, которые выполняют операции путём многоразовых перемещений, допускается наличие раздельных органов для подачи сигнала и для включения машины при наличии блокирования, которое обеспечивает пуск машины только после подачи предупредительного сигнала необходимой продолжительности и не позднее чем через 10 с после окончания подачи сигнала. Для машин, которые выполняют циклические движения в автоматическом режиме (струги, скреперы-струги и т.п.), сигнал должен подаваться автоматически перед первым включением каждого из приводов (струга или конвейера). Схема управления машинами должна блокироваться с системами пылеудаления для исключения работы машины в отсутствие функционирования средств пылеудаления и при нарушении режимов их работы. Система управления насосными станциями очистного комплекса должна обеспечивать управление ими с пульта, размещённого на КУУ, и отключение с кнопочных постов, расположенных вдоль лавы. Автоматическая остановка насосной станции должна обеспечиваться при недопустимых утечках из гидросистемы рабочей жидкости и при недостаточном её количестве в баке станции. В добычных машинах, кроме струговых установок, необходимо предусматривать вблизи режущих органов кнопки с самофиксацией, которые исключают включение комбайна и конвейера лавы при осмотре, ремонте и техническом обслуживании рабочих органов. Если пульт управления комбайном находится вблизи режущего органа, то роль такой кнопки могут выполнять кнопки "Стоп" с фиксацией, расположенные на общем пульте управления комбайном и конвейером. На пультах управления добычных машин при применении конвейерных средств транспорта должны быть предусмотрены кнопки 231


для остановки забойного конвейера с фиксацией в отключенном состоянии. Электрические схемы управления горными машинами должны предусматривать автоматическое отключение электродвигателей при их опрокиде, стопорении, не состоявшемся пуске. 8.2 Требования безопасности при применении систем управления отдельными горными машинами Система управления очистным комбайном, конвейером и предохранительной лебёдкой, функционирующими в едином комплексе, должна обеспечивать: управление комбайном с вынесенного пульта или с пульта, расположенного непосредственно на машине; управление конвейером с пульта комбайна и с местоположения пунктов разгрузки (перегрузки); оперативное отключение конвейера и блокирование его включения с кнопочных постов, расположенных вдоль лавы; автоматическое управление предохранительной лебёдкой в соответствии с направлением подачи комбайна, местное управление в режиме отладки (допускается вместо автоматического управлять лебедкой с пульта комбайна); дистанционное аварийное отключение машин и механизмов с кнопочных постов, расположенных вдоль лавы, с пульта комбайна и с центрального пульта комплекса; блокирование включения комбайна, конвейера, вынесенного механизма подачи комбайна из зоны расположения режущих органов комбайна; автоматическую подачу предупредительного сигнала перед включением в работу комбайна, конвейера и предохранительной лебедки. Очистные комбайны для крутых пластов должны быть оснащены выносными пультами управления (ВПУ). На ВПУ в очистном забое должны быть предусмотрены органы управления всеми машинами и механизмами, а также органы управления подъёмом и опусканием рабочих органов комбайна. При управлении машинами и механизмами из штрека на ВПУ, расположенном возле комбайна, должны быть предусмотрены органы аварийного отключения всех машин и механизмов. Система управления комбайном, его подающей частью, предохранительной лебедкой и кабелешлангоподборщиком должна обеспечивать: управление по реверсивной схеме системой подачи, предохранительной лебедкой и кабелешлангоподборщиком с пульта; блокировку включения подачи комбайна до включения в работу его режущих органов; автоматическое управление кабелешлангоподбор232


щиком в соответствии с направлением движения; местное управление системой подачи, предохранительной лебёдкой и кабелешлангоподборщиком с пультов, расположенных вблизи указанных машин и механизмов (при выполнении ремонтных работ); аварийное отключение машин и механизмов комплекса с пультов комбайна, а также с пультов лавы (при наличии механизированной крепи); автоматическое включение подачи воды для орошения при работе комбайна по добыче угля и блокировку, которая запрещает его работу при неисправности или несоответствии параметров системы орошения; управление скоростью подачи комбайна; автоматическую синхронизацию скоростей перемещения комбайна, каната предохранительной лебёдки и рабочего органа кабелешлангоподборщика. Система управления щитовыми агрегатами для крутых пластов должна обеспечивать: автоматическую подачу предупредительного сигнала перед пуском только конвейера-струга; пуск и остановку двигателей конвейера-струга и насосной станции с пульта местного или дистанционного управления; дистанционное или местное управление: скоростью подачи конвейера-струга; положением конвейераструга относительно боковых пород; управление процессом перемещения секций крепи с общего пульта или с пультов, расположенных на секциях, сопредельных с теми, которые передвигаются; отключение конвейера-струга с кнопочных постов, расположенных через каждые 10 м по длине забоя, Схема управления комбайном и предохранительной лебедкой должна обеспечивать автоматический и ручной режимы работы, а также блокировки, которые предотвращают включение лебедки с пульта управления комбайном при его осмотре, отладке и ремонте. В струговых установках пульты управления должны располагаться со стороны выработанного пространства. На центральном пульте управления должны содержаться органы управления стругом, конвейером, насосными станциями, аварийного отключения и изменения режимов работы установки (рабочий и наладочный). На пульте помощника машиниста должны находиться органы для отключения струговой установки и конвейера. На выносном пульте должны быть органы управления стругом, конвейером и аварийным отключением. Система управления струговой установкой должна обеспечивать: автоматическое отключение привода струга при подходе рабочего органа к конечным положениям; реверсирование привода струга на заданном участке лавы; электрическую блокировку, которая пре233


дотвращает: одновременное включение струга или конвейера с нескольких мест; блокировку, включения струга и конвейера при ремонте, техническом обслуживании, при задействованном стопорном механизме. Должна обеспечиваться возможность раздельного управления приводами струга и конвейера с центрального пульта (в режиме ремонта); оперативное отключение конвейера и блокирование его включения с кнопочных постов, расположенных по длине лавы; отключение привода струга с пульта помощника машиниста; дистанционное аварийное отключение электроэнергии со всех токоприемников струговой установки, по команде с центрального и выносного пультов управления, а также с кнопочных постов, расположенных вдоль лавы. Схема управления забойным скребковым конвейером должна обеспечивать раздельное включение верхнего и нижнего приводов. Отключение конвейера должно быть предусмотрено по команде устройств, размещённых по длине лавы, расстояние между которыми не должно превышать 10 м. Вблизи приводных блоков забойных конвейеров может быть предусмотрена кнопка с фиксацией (блокировочная) для создания команды на остановку конвейеров, а в случае необходимости - недопущения их пуска. Для присоединения этой кнопки на всех электродвигателях, которыми комплектуют конвейеры, должны быть предусмотрены дополнительные кабельные вводы. В качестве блокировочной может использоваться кнопка "Стоп конвейера" абонентской станции при её расположении непосредственно рядом с приводным блоком конвейера. В проходческих комбайнах кнопки "Стоп" с фиксацией, которые предназначены для блокирования пуска в ход комбайна при его осмотре и при выполнении вспомогательных операций вблизи комбайнов, должны находиться с обеих сторон машины. Проходческие комбайны выборного действия должны быть оборудованы кнопкой "Стоп" с фиксацией. Местонахождение кнопки должно обеспечивать возможность наблюдения за положением исполнительного органа. Проходческие комбайны с роторным исполнительным органом должны быть оборудованы вынесенной кнопкой "Стоп" с фиксацией. Для защиты электросети и рудничных электродвигателей от перегрузки применяется аппарат контроля типа "КОРД", что обеспечивает защиту электродвигателей горных машин при опрокиде и не со234


стоявшемся пуске, при обрыве фазы и контролирует работу двигателя по величине потребляемого тока (от 24 А до 500 А). В процессе эксплуатации забойных машин возникает необходимость экстренного отключения всех машин комплекса. Это происходит в случае, когда магнитные пускатели (фидеры КУУ) выходят из строя, и машину невозможно остановить, например, при взаимном заклинивании комбайна и конвейера негабаритными предметами, при возникновении пожара, внезапном выбросе и загазовывании забоя, стопорении комбайна, других авариях и опасных состояниях. Для таких случаев средства отключения должны создавать принудительный, например пружинный или ручной, разрыв силовых контактов. В системе электроснабжения забойных машин такой выключатель должен быть рассчитан на разрыв суммарного тока, который складывается из тока наиболее мощного электродвигателя при неподвижном роторе и номинальных рабочих токов других электродвигателей. Для машин с несколькими электродвигателями, которые работают на один общий вал или цепь, выключатель должен быть рассчитан на отключение суммарного тока всех одновременно застопоренных электродвигателей. Аварийный выключатель с ручным управлением должен отключаться от одного движения рукоятки. Для машин с многодвигательным приводом (погрузочные машины, проходческие комбайны, угольные комбайны), которые имеют штепсельное присоединение кабелей, КУУ и дистанционное управление пускателем, подающим напряжение, применение средств аварийного отключения не является обязательным. Отсутствие выключателей для отключения в аварийных режимах компенсируется наличием в цепях питания каждого электродвигателя двух последовательно соединенных контакторов - магнитного пускателя и КУУ машины. В этом случае контактор пускателя, как правило, работает без нагрузки и потому он обеспечивает надёжное отключение электроэнергии с силовых цепей двигателя машины. Аварийное отключение с помощью ручных выключателей забойных конвейеров, комбайнов, которые эксплуатируются на крутых пластах и управляемых дистанционно или с вынесенных пультов, - не возможно, поскольку в этих случаях пульт управления отдален от машины. Для таких машин применяют выключатели с дистанционным отключением. В механизированных добычных комплексах отключение в аварийных режимах предполагается с пульта комбайна и постов связи по лаве. Безотказность работы выключателя с дистанци235


онным отключением может обеспечиваться самоконтролем исправности схемы управления, т.е., любые неисправности схемы приводят к отключению выключателя. Необходимость экстренного отключения электроэнергии обусловливает обязательное расположение органов управления выключателем на одном пульте с органами управления машиной. В связи с большой энерговооруженностью механизированных забойных комплексов возникает необходимость распределения электропитания машин, что решается установкой нескольких фидерных выключателей. В этом случае система управления машинами должна быть выполнена таким образом, чтобы их отключение проводилось одновременно от одного органа управления. Наряду с применением выключателей с дистанционным отключением обязательным является оснащение выемных машин ручными разъединителями с целью надежного разъединения питающей машину электрической цепи при отключенном напряжении и этим - создания безопасных условий для осмотра и ремонта. Наличие ручного разъединителя не требуется для струговых установок и очистных комбайнов, в которых предусмотрены устройства для проворачивания рабочих органов без подачи напряжения на машину или обеспеченно проворачивание исполнительных органов вручную. Кабели к этим машинам должны подключаться с помощью электрического соединителя, установленного в удобном для монтажа и демонтажа месте. Выполнение схемой управления функций контроля заземления предусматривает постоянное электрическое присоединение её источника питания через заземляющую жилу кабеля к корпусам передвижных машин, электроаппаратуры распределительного пункта участка и к заземляющему электроду. Вывод потенциала от трансформатора питания схем управления за пределы корпуса машин и электрооборудования может быть причиной искрения при обрыве заземляющей жилы кабеля и проводников схемы местного заземления. В связи с этим в шахтах, опасных по газу или пыли, схемы управления, соединенные с цепями заземления, должны быть искробезопасными [49; 51].

236


Вопросы для самоконтроля 1. Какие виды защит должны обеспечивать схемы управления пускателями, предназначенными для подачи напряжения на забойные машины? 2. Возможно ли применять однокнопочные посты для управления магнитными пускателями? Если возможно, то в каком случае? 3. Возможно ли выполнять пуск машины, или подачу напряжения на неё по команде от двух и более пультов управления? 4. Какие функциональные требования предъявляются к системам управления горной машиной? 5. Каковы требования к элементам системы управления при аварийной или оперативной остановке горных машин? 6. В чём состоят требования к системам управления горными машинами в части автоматической подачи предупреждающего сигнала? 7. С какой целью предусматривается блокирование схемы управления горными машинами и их системами управления? 8. В чём состоят требования безопасности, которые относятся к функционированию системы управления очистным комбайном, конвейером и предохранительной лебёдкой, работающими в едином комплексе? 9. Каковы особенности требований безопасности к системам управления очистными комбайнами для крутых пластов? 10. Где должен бать расположен пульт управления струговой установкой? 11. На каком расстоянии должны бать размещены в лаве устройства для отключения скребкового конвейера? 12. Где размещаются кнопки «Стоп» с фиксацией на проходческих комбайнах и каково их назначение ? 13. Каким образом выполняется схемой управления машиной контроль состояния её заземления?

237


Приложение 1 Параметры асинхронных двигателей электроприводов горных машин и установок (номинальное напряжение Uн = 660В) Типы асинхронных двигателей (схема статора «Y»; число пар полюсов р=2; синхронная угловая скорость ωо=1500 об/мин.) ЭКВ2.5-30 АИУМ255М4 2ЭКВ3.5-90 2ЭДКОФ250LВ4 Rs, Ом 0.3171891 0.2931056 0.1951472 0.0571812 Rr, Ом 0.36896903 0.34982824 0.11063811 0.0685131 Ls. Гн 0.00206216 0.0029708 0.00092593 0.00063221 Lr. Гн 0.00206216 0.0029708 0.00092593 0.00063221 Lm. Гн 0.02926934 0.0785055 0.01903933 0.0201918 Мп. Hм 196.9 372.5 588.9 713.2 2 J. кґ м 0.12 0.29 0.331 1.14 Pн. кВт 30 55 90 110 sн. % 3 6 2.7 1.8 η.% 82 92.5 87.5 93.2 cosφ 0.85 0.87 0.81 0.85 Мп/Mн 2.2 3.2 1.2 3.2 Mmax/Mн 2.4 3.2 2.48 3.2 Іп,А 260 393 580 915 Ін,А 49.5 62.5 111 122 Параметр Типы асинхронных двигателей (схема статора «Y»; число пар полюсов р=2; синхронная угловая скорость ωо=1500 об/мин.) ЭКВ4-140 ЭКВ3.5-180 ЭКВЭ4-200 2ЭКВ4УС2 Rs, Ом 0.1099506 0.1427215 0.097247 0.090811 Rr, Ом 0.08709377 0.11254143 0.07972966 0.05757149 Ls. Гн 0.00051935 0.0003729 0.00045153 0.00032833 Lr. Гн 0.00051935 0.0003729 0.00045153 0.00032833 Lm. Гн 0.01697345 0.01354664 0.01094188 0.01152495 Мп. Hм 920.8 1217.9 1334.7 1450 2 J. кґ м 1.17 0.691 1.35 1.6 Pн. кВт 140 180 200 220 sн. % 3.2 5.9 4.6 3.4 η.% 92 89 89.5 92 cosφ 0.85 0.85 0.83 0.82 Мп/Mн 1.8 1.5 1.8 1.55 Mmax/Mн 2.7 2.38 2.62 2.89 Іп,А 1000 1100 1140 1500 Ін,А 157 208.1 236 246 Параметр

238


Приложение 2 Электромеханические характеристики асинхронных двигателей с водяным охлаждением электроприводов горных машин Параметр Pн. кВт Uн. В Ін,А Іп,А ωн; об/мин sн. % η.% cosφ МП нач. Hм Ммах. Hм МН. Hм Іп/Ін Мп/Mн Mmax/Mн Діапазон частоты тока. Гц Параметр Pн. кВт Uн. В Ін,А Іп,А ωн; об/хв sн. % η.% cosφ МП нач. Hм Ммах. Hм МН. Hм Іп/Ін Мп/Mн Mmax/Mн

Типы асинхронных двигателей (режим работы по ГОСТ 183-74 - S1) ЭКВ2.5-7,5-01 ЭКВ2.5-7,5-02 ЭКВ4-30-6-03 7,5 7.5 30 1140 660 950 5,9 5,3 24,5 29,7 48 125 1421 1421 972 5,3 5,3 2.8 80 80 90 0,8 0,8 0,85 126 126 440 111 111 760 50,5 50,5 295 5,0 4,8 5.1 2,5 2,5 1,5 2.2 2.2 2,6 2,5 - 100 -

ЭКВ4-45-6 45 1140 29,4 138 972 4 88 0,88 672 995 448 4,7 1,5 2,2 2,5 - 150

Типы асинхронных двигателей (режим работы по ГОСТ 183-74 - S1) ЭКВК 3,5-200-01 ЭКВ4-200В ЭКВК4-220 2ЭКВЭ4-200М 200 200 220 220 1140/660 1140/660 1140/660 1140/660 129/223 129/223 142/246 142/246 767/1327 851/1472 847/1463 847/1463 1446 1478 1470 1470 3.6 1.48 1.5 1.5 91,4 93.74 92 92 0,85 0,837 0,85 0,86 2115 2545 2844 2844 3000 3359 3646 3646 1321 1292 1424 1472 5,95 6,6 5,96 5,96 1.6 1.97 2 2 2.27 2,6 2,56 2,56 239


Приложение 3 Технические характеристики двускоростных асинхронных двигателей (номинальное напряжение сети– 1140 В) Тип

Мощность, кВт

Угловая скорость, номинальная, об/мин.

КПД , %

cosφ

Ммах /Мн

Мп/Мн

Іп/Ін

ЭДКВФ315 S12/4

55 160 65 200 85 250 105 315

490 1480 480 1480 480 1480 485 1485

84,5 92,8 85,0 93,0 87,3 92,8 85,4 92,5

0,54 0,84 0,62 0,84 0,63 0,85 0,59 0,87

3,0 2,4 2,7 2,5

3,0 3,0 2,8 2,4 2,7 2,0 2,6 2,0

3,4 6,5 3,7 6,0 3,6 7,0 3,6 7,4

ЭДКВФ315 M12/4 ЭДКВФ315 L12/4 ЭДКВФ355 S12/4

Приложение 4 Устройства вентильного каскада взрывозащищённые, рудничные УВКВ-250 У5 Назначение – управление асинхронным двигателем с фазным ротором по системе асинхронного вентильного каскада для электропривода подъёмных машин, конвейеров, монорельсовых дорог и других машин в шахтах, опасных по газу (пыли). Наименование параметра

Величина

Номинальное напряжение сети, В Частота сети, Гц Максимальная мощность двигателя, кВт Номинальный ток нагрузки, А Диапазон регулирования скорости Точность поддержания скорости, % Режим работы Охлаждение при мощности двигателя до 160 кВт Охлаждение при мощности двигателя, более 160 кВт

660 50 250 320 1…20 10 продолжительный Воздушное, естественное Водяное, принудительное

240


Приложение 5 Технические характеристики рудничных полупроводниковых силовых преобразователей Преобразователь частоты ПЧВ-250 У5 взрывобезопасный предназначен для управления и защиты асинхронного короткозамкнутого двигателя подземной подъёмной машины мощностью до 250 кВт в сети напряжения 660 В частоты 50 Гц. Преобразователь частоты ПЧВ-К У5 взрывобезопасный предназначен для регуПЧВ-250 лирования скорости и защиты асинхронных короткозамкнутых двигателей приводов горных машин суммарной мощностью до 500 кВт в сети напряжения 660 В частоты 50 Гц. Наименование параметра

Тип преобразователя ПЧВ-К У5 Величина 132; 160; 200; 315; 400; 500 1,5

ПЧВ-250 Величина Номинальная мощность 250 нагрузки, кВт Кратность перегрузки по току (60с) Допустимая суммарная 250 500 мощность двигателей нагрузки, кВт Диапазон регулирования 1 … 50 0…200 частоты, Гц Функции общие Плавный пуск и регулирование частоты вращения приводного двигателя Функции отличительные Автоматическое поддержание Автоматическое заданной угловой скорости поддержание заданприводного двигателя при ной производительизменении статической наности технологичегрузки Бесконтактное ревер- ской установки пусирование приводного двига- тём регулирования теля. Электрическое тореё скоростного реможение двигателя с рекупе- жима рацией энергии в сеть 241


Приложение 6 Техническая характеристика рудничного полупроводникового силового преобразователя УКЧВ-132 Назначение – плавное регулирование скорости асинхронного короткозамкнутого двигателя скребковых конвейеров, канатнокресельных дорог, вентиляторов, приводов подачи очистных комбайнов. Устройство обеспечивает плавный пуск двигателя с разгоном до заданной угловой скорости при ограничении потребляемого тока, продолжительную работу двигателя на пониженной скорости, в т.ч. на одной из 8-ми запрограммированных скоростей, работу в режиме пускателя; управление работой группы асинхронных двигателей Наименование параметра Величина Номинальное напряжение сети, В частоты 50 – 60 Гц Максимальная мощность двигателя, кВт Диапазон регулирования выходной частоты, Гц Программное задание темпа разгона и торможения, с

660 132 3 … 60 1 …250

Приложение 7 Техническая характеристика устройства управления тиристорного взрывозащищённого серии УКТВ Назначение - обеспечение дистанционного плавного управляемого пуска продолжительностью от 1 с до 15 с; динамического торможения и отключения асинхронного двигателя горной машины. Применение устройства позволяет исключить из системы гидромуфту как один из наиболее не надёжных элементов привода. Количество пусков привода от УКТВ – 6 в час. Тип Напряжение сети, В УКТВ-1-400 660 1140 УКТВ-2-250 660 1140

Общая мощность нагрузки, кВт 1х160; 1х250; 1х 315; 2х100; 2х160 1х250; 1х315; 2х160; 2х250; 2х315 2х90; 2х110; 1х160; 1х250 2х90; 2х110; 2х132; 1х160; 1х250 242


Приложение 8 Техническая характеристика аппаратов серии АПМ 1 управления пуском электропривода горной машины Аппараты серии АПМ 1 предназначены для плавного управляемого пуска асинхронных электроприводов горных машин, плавного торможения приводных асинхронных двигателей в индукционнодинамическом режиме с возможностью задания тормозного момента. Область применения: аппарат АПМ1У – однодвигательные и двухдвигательные электроприводы шахтных ленточных конвейеров (в составе привода – асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором); аппарат АПМ1У.П – электроприводы шахтных ленточных конвейеров; канатно-кресельных дорог, насосных станций (в составе привода - асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором); аппарат АПМ1У.К электроприводы горных машин с тяжёлыми условиями пуска, переменным характером нагрузки, глубоким регулированием скорости (скребковые и ленточные конвейеры монорельсовые дороги; насосные станции). Наименование регламентированного параметра Номинальное напряжение, В Номинальный ток, А Номинальная мощность двигателя потребителя, кВт Продолжительность пуска, с Диапазон регулирования пониженной скорости, % от ωном Количество пусков в час с интервалом 1 мин. Количество пусков в рабочую смену

АПМ1У

Тип аппарата АПМ1У.П АПМ1У.К 660/1140 400/250 250

400/250 5; 10; 15; 20

0 … 20

0 … 20

не предусмотрено

0 … 30

6-8 30

243


Приложение 9 Техническая характеристика комплекта взрывобезопасного EZSO для плавного пуска («soft-start») электроприводов Схема EZSO представляет собой комплект пускателей в совокупности с двумя тиристорными регуляторами напряжения. Этот комплект предназначен для управления плавным пуском в функции «soft-start» электроприводов, плавным выбегом асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и их динамическим торможением [31]. По окончании заданной продолжительности пуска контактором шунтируются полупроводниковые ключи в фазах тиристорных регуляторов напряжения. Параметр Номинальное напряжение сети, В Максимальный ток нагрузки, А Диапазон заданной продолжительности пуска. с Диапазон заданной продолжительности торможения. с Максимальное ограничение тока. А

EZSO1 P04

EZSO2 660/1140 4х200, или 2х400 2х200, или 1х400 1 ...25 Продолжительность броска тока – 0,1 ... 5 с 1 ...25 4х1000,или 2х2000 2х1000, или1х2000

Приложение 10 Технические характеристики рудничного устройства УВППД-315 плавного пуска в функции «soft-start» электроприводов Наименование параметра Номинальное линейное напряжение, В Номинальный ток, А Максимальная мощность управляемого электродвигателя, кВт Заданная продолжительность плавного пуска двигателя, с

244

Значение параметра 1140 / 660 315 474 / 274 5 - 30


Приложение 11 Техническая характеристика устройств плавного пуска взрывозащищённых УПП Назначение - управление пусковыми режимами асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в электроприводах горных машин. Основная область применения – электроприводы шахтных ленточных конвейеров [52]. Схема УПП представляет собой силовой тиристорный коммутатор с микропроцессорной системой управления, Устройство выполнено в рудничной взрывозащищённой оболочке, оснащено полным комплектом технологических защит. Подключается между магнитным пускателем и статором асинхронного двигателя. Основные технические свойства: - автоматический выбор и выполнение оптимальной программы разгона асинхронного электропривода в зависимости от уровня его нагрузки; - поддержание пониженной (ремонтной) скорости привода в обоих направлениях; - выполнение режимов форсированного и прямого пусков асинхронного двигателя; - энергонезависимая память всех событий с отметками времени; - контроль входных и выходных параметров сети; - возможность обмена информацией с другим оборудованием по интерфейсу RS-485. Технические характеристики устройств УПП Тип УПП-125 УПП-160 УПП-250 УПП-320

Напряжение сети, В 660/1140 660/1140 660/1140 660/1140

Номинальный ток нагрузки, А 125 160 250 320 245

Мощность двигателя, кВт до 110 /до 160 до 160 /до 250 до 250 /до 400 до 315 /до 500


Приложение 12 Техническая характеристика комплекса КПА (программноаппаратного) для управления и защиты подземных подъёмных машин (ППМ) Комплекс предназначен для управления, защиты, сигнализации и диагностики оборудования подземных подъёмных машин в условиях угольных шахт, опасных по газу и пыли и имеет исполнения: - по типу главного привода – АД с фазным ротором с жидкостным реостатом, или АД с короткозамкнутым ротором и ПЧ; - по типу системы торможения – гидравлическая, или пневматическая. Функции: - управление скоростью главного привода шахтной ППМ воздействием на преобразователь частоты, или жидкостный реостат; - управление рабочим тормозом; - управление предохранительным тормозом; - технологические блокировки и защиты. Визуализация и передача информации: - положение сосуда на пути перемещения; - скорость и направление движения сосуда; - величина напряжения сети; - величина тока главного привода; - величина давления рабочего тела в тормозной системе; - состояние коммутационных аппаратов, датчиков и контрольных цепей; - снятие предохранительного тормоза; - срабатывание защит; - срабатывание блокировок, препятствующих выполнению основных технологических функций. 246


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Мартынов М.В. Автоматизированный электропривод в горной промышленности: учебник [для студентов высших учебных заведений] / Мартынов М.В., Переслегин Н.Г.- М.: Недра, 1977.-375 с. 2. Руководство по ревизии, наладке и испытанию шахтных подъёмных установок: нормативное производственно-практическое издание / Бежок В.Р., Калинин В.Г., Коноплянов В,Д., Курченко В.М./; под общ. ред. В.А. Корсуна. 3-е изд. – Донецк: Донеччина, 2009.- 672 с. 3. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода: [учебник для вузов] / Чиликин М.Г., Сандлер А.С.- [6-е изд.].- М.: Энергоиздат, 1981.- 576 с. 4. Руководство по ревизии, наладке и испытанию подземных электроустановок шахт / [Чумаков В.А., Глухов М.С., Осипов Э.Р. и др.]; под ред. Дехтярёва В.И. – М.: Недра, 1989. - 614с. 5. Справочник энергетика угольной шахты / [Дзюбан В.С., Ширнин И.Г., Ванеев Б.Н., Гостищев В.М.]; под общ. ред. Ванеева Б.Н. – [2-е изд.] – Донецк, ООО «Юго-Восток Ltd.», 2001 – Т1, - 447с., Т2, - 440с. 6. Брускин Д.Э. Электрические машины. Ч.1: [Учебник для вузов] / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов.- М.: Высшая школа, 1979.- 288 с. 7. Тиристорный электропривод рудничных и взрывозащищенных электроустановок: справоч. пособ./ Б.Л. Коринев, А.А. Дубинский, В.А. Скрыпник и др. Под ред А.И. Пархоменко.- М.: Недра, 1991.- 173 с. 8. Маренич К.Н. Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами /Маренич К.Н. - Донецк: ДонГТУ, 1997. - 64 с. 9. Справочник по автоматизации шахтного конвейерного транспорта / [Н.И. Стадник, В.Г. Ильюшенко, С.И. Егоров и др].- К.: Техніка, 1992.- 438 с. 10. Аппарат управления пуском электропривода горной машины АПМ.УХЛ5, Т5. Техническое задание. Утв. МУП СССР 19.07.1990.- 90 с. 11. Малиновский А.К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников: [учебник для студентов высших учебных заведений] / Малиновский А.К. – М.: Недра, 1987.- 277 с. 247


12. Тиристорне преобразователи напряжения для асинхронного електропривода / [Петров Л.П., Андрющенко О.А., Капинос В.И. и др.]. - М.: Энергоатомиздат, 1986.- 200 с. 13. Леусенко А.В. Скребковые конвейеры: [справочное пособие] / [Леусенко А.В., Высоцкий Г.В. Эйдерман Б.А.]. - М.: Недра,1993. – 221 с. 14. Савицкий В.Н., Митрохин В.Л. Взрывозащищённое устройство плавного пуска КУВПП-250 М УХЛ5 http://ukrniive.com.ua/ru/article/soft-start.htm 15. Маренич К.М. Питання стійкості систем «тиристорний комутаційний апарат – асинхронний мотор» під час фазового регулювання напруги / К.М. Маренич // Теорія та моделі пристроїв вимірювальної і перетворювальної техніки. Зб наук. праць Ін-т електродинаміки НАН України, 1993.- С. 35-39. 16. Маренич К.Н. Способы предупреждения неустойчивых состояний асинхронного тиристорного электропривода горной машины / К. Н. Маренич // Известия вузов. Горный журнал.- 1994.- №3.С.126-129. 17. А.с. 1510045 СССР МКИ4 Н02Н7/00 Устройство для защитного отключения тиристорного преобразователя при обрыве его вентильной цепи / И.Т.Сидоренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан, В.Б. Шевчик, В.Я. Демидов (СССР).- № 4358131/24-07; заявл. 23.11.1987; опубл. 23.09.1989, Бюл. №35. 18. Взрывозащищённые асинхронные двигатели: выбор, эксплуатация и ремонт / [В.В. Каика, Т.В. Швецова, А.И. Аниканов и др.] ; под общ. pед. В.В. Каики. – Донецк : Юго-Восток, 2010.- 360 с. 19. Гальперин И.Я. Модернизация электропривода и автоматизация шахтных подъёмных установок / Гальперин И.Я, Бежок В.Р. М.: Недра, 1984.- 220 с. 20. Машиностроение и техносфера ХХI века // Сб. трудов международной научно- технической конференции в г. Севастополе 814 сентября 2003 г. Донецк: ДонНТУ, 2004.- 157 с. 21. Волотковский С.А. Электрификация горных работ учебник для вузов / Волотковский С.А., Шкрабец Ф.П., Пивняк Г.Г., Кигель Г.А., Фурсов В.Д., Сидоренко И.Т., Коротун А.В. /под ред. С.А. Волотковского. К.: Вища школа, 1980.- 448 с. 22. Маренич К.М. Електрообладнання технологічних установок гірничих підприємств: [підруч. для студентів вищих навч. 248


закладів] / Маренич К.М., Калінін В.В., Товстик Ю.В., Лізан І.Я., Коломієць В.В. - Донецьк: ДонНТУ, Харків: УІПА, 2009 .-372 с. 23. Барышев А.И. Расчёты и проектирование транспортных средств непрерывного действия: [уч. пособ. для студ. высших учебных заведений ] / [Барышев А.И., Будишевский В.А., Скляров Н.А., Сулима А.А., Ткачук А.Н. ]; под. ред. В.А. Будишевского.- Донецк: Норд-Пресс, 2005.- 690 с. 24. Электромеханические системы транспортных механизмов./ В.Ф. Борисенко, А.А. Чепак, В.А. Сидоров и др. /под общ. ред. В.Ф. Борисенко. Донецк, ДонНТУ, НПФ „МИДИЭЛ”, 2007.- 332 с. 25. Расчёт и конструирование горных транспортных машин и комплексов: [учебник для студ. высших учебных заведений] / [И.Г. Штокман, П.М. Кондрахин, В.Н. Маценко и др. ]; под. ред. И.Г. Штокмана.- М.: Недра, 1975.- 464 с. 26. Компания „Интернациональные транспортные системы”„ИТРАС” (Петровский завод угольного машиностроения). Конвейеры ленточные стационарные. Общая техническая информация. http://itras.com.ua/product/convobor/conv/conv_stacionar.html 27. Гребенешников А.Л. Канатно-ленточные конвейеры ЗАО «Метсо – Минералз СНГ»/ Гребенешников А.Л., Паламарчук Н.В. http://mining-media.ru/arhiv/2006/4/43 28. Маренич К.Н. Асинхронный электропривод горной машины. Корректировка пусковых параметров / Маренич К.Н.; Сб. науч. тр. горно-электромеханического факультета.- Донецк: ДонГТУ, 1996.- С.176 – 177. 29. Ляшенко Н.И. Некоторые результаты эксплуатации аппарата АПМ управления пуском электропривода ленточного конвейера / Ляшенко Н.И., Панасенко А.В., Зеленецкий В.Н.// Уголь Украины.1997.- №12.- 35 – 37. 30. Краткое техническое описание САУКЛ http://www.instroyservis.com 31. Ostroj-Hansen+Reinders, spol. sr.o. Система APD-1. Инструкция по обслуживанию. № 4. Наименование NO55117-00.1/- 2002.31 c. http://www.ohr.cz. 32. Estel Plus AS, Telliskivi 60a, Tallinn. Устройства УПТФ (ЭПТФ) Общая техническая информация.- http://www.estel.ee/7-1.htm 33. А.с. 1514756 СССР МКИ4 Н02М5/22 Устройство для импульсно-фазового управления тиристорным регулятором напряжения / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан, В.Н. Пименов 249


(СССР).- № 4341676/24-07; заявл. 11.12.1987; опубл. 30.08.1989, Бюл. №32. 34. Чугреев Л.И. Динамика конвейеров с цепным тяговым органом / Чугреев Л.И.- М.: Недра, 1976.- 256 с. 35. Гірничі машини для підземного видобування вугілля: навч. посіб. для вузів /П.А. Горбатов, Г.В. Петрушкін; М.М. Лисенко, С.В. Павленко, В.В. Косарів; Під заг. Ред.. П.А. Горбачова.- 2-ге вид.- Донецьк: Норд Комп’ютер, 2006.- 669 с. 36. Кириленко В.И. Разработка и внедрение взрывозащищённых жидкозаполненных электродвигателей / Кириленко В.И., Введенская М.И., Пышняк А.Ф. - 13 с. http://www.nbuv.gov.ua/portal/Natural/Ve/2010/23_%20181-193.pdf 37. Савицкий В.Н. Защита от токов утечки в комбинированных распределительных сетях угольных шахт / Савицкий В.Н., Стадник Н.И.- 13 с. http://ukrniive.com.ua/ru/article/current_leakage.htm. 38. Бабокин Г.И. Частотно-регулируемый электропривод механизмов подачи очистных комбайнов / Бабокин Г.И., Щуцкий В.И. // Горные машины и автоматика.- 2001, № 8.- С.38-40. 39. MITEL Semiconductor SA828/838 Microprocessor Controlled PWM IC Family AN3939-3/2 January 1997 http:// www.gpsemi.com 40. Киампо Е.М. Токи утечки в комбинированной электрической сети горных машин / Киампо Е.М., Коровкин В.А. // Известия вузов. Горный журнал.- 1986.- №2.- С.97-99. 41. Белошистов А.И. Проблемы защиты от утечек тока на землю распределительных сетей угольных шахт, содержащих силовые полупроводниковые элементы // Белошистов А.И., Савицкий В.Н. Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2004. – С. 78-83. 42. Колосюк В.П. Токи утечки на землю в системе электроснабжения комбайнов с регулируемым приводом / Колосюк В.П., Товстик Ю.В. // Уголь Украины. – 2005. – №6. – С. 35-39. 43. Маренич К.Н. Создание частотно-регулируемого асинхронного электропривода добычного комбайна как обусловливающий фактор повышения его надёжности и производительности / Маренич К.Н., Дубинин С.В., Бурлака А.Н., Локтионов Г.Л. http://masters.donntu.edu.ua/2009/eltf/makarov/library/article2.htm 44. Справочник по шахтному транспорту / под ред. Г.Я. Пейсаховича, И.П. Ремизова. -М.: Недра, 1977. - 624 с. 250


45. Шахтный подземный транспорт [cправоч. изд. - в 2-х т. – Шахтный локомотивный и рельсовый транспорт] /Ю.Ф. Бутт, В.Л. Дебелый, Л.Л.. Дебелый, А.Н. Коваль, А.Л. Фурман, В.М. Щука, // под общей ред. Б.А. Грядущего.-Т1.- Донецк: «ВИК», 2009.- 474 с. 46. Ставицький В.М. Асинхронний вентильний електропривод шахтного акумуляторного електровоза: дис. … кандидата техн. наук: 05.09.03 / Ставицький Володимир Миколайович. – Донецьк, 2002 – 156 с. 47. Мнускін Ю.В. Вентильний реактивний двигатель з програмним формуванням вихідних характеристик: дис. ... кандидата техн. наук: 05.09.01 / Мнускін Юрій Віталійович.- Донецьк, 2005.221 с. 48. Иванов В.В. Регулируемый электропривод для центробежного вентилятора ВЦД47У главного проветривания шахт и рудников с преобразователем частоты в роторе электродвигателей / Иванов В.В.- 7 с. http://www.erasib.ru/user_images/File/papers/mining-fan-eratonfr.pdf 49. Правила безпеки у вугільних шахтах – К.: ДНАОП, 1996. 150с. 50. Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів. Затв. 25.07.2006 № 258/ Міністерство палива та енергетики України. Х. Індустрія. 2007. – 272 51. Колосюк В.П. Техника безопасности при эксплуатации рудничных электроустановок / Колосюк В.П. – М.: Недра, 1987. 407с. 52. ООО «Ремо» г. Луганск. Устройства плавного пуска взрывозащищённые типа УПП-ХХ-ХХХ http://www.remo.com.ua/manual.pdf

251


МАРЕНИЧ Костянтин Миколайович ТОВСТИК Юрій Васильович ТУРУПАЛОВ Віктор Володимирович ВАСИЛЕЦЬ Святослав Володимирович ЛІЗАН Ігор Ярославович

АВТОМАТИЗОВАНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД МАШИН І УСТАНОВОК ШАХТ І РУДНИКІВ

Навчальний посібник (російською мовою)

Редакційно-технічне оформлення, комп’ютерна верстка, дизайн обкладинки, переклад з української К.М. Маренич

Підписано до друку 09.10.2015 р. Формат 60×841/32. Папір крейдований. Гарнітура"Newton". Друк – лазерний. Обл.-вид. л. 8,05. Ум. друк. арк. 7,27. Замовлення №1115. Тираж 500 прим. Видавництво: ТОВ "Технопарк ДонДТУ "УНІТЕХ" Свідоцтво про внесення видавця до Державного реєстру суб'єктів видавничої діяльності – ДК 1017 від 21.08.2002 Тел.: +380 (66) 029-44-30 Ел. пошта: m-lab@ukr.net Віддруковано у друкарні ТОВ "Норд Комп’ютер" на цифрових лазерних видавничих комплексах Rank Xerox DocuTech 135 і DocuColor 2060 Тел.: +380 (62) 389-73-82, 389-73-86 Ел. пошта: nordpress@gmail.co 252


Маренич Константин Николаевич, заведующий кафедрой «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова», проректор по научной работе Донецкого национального технического университета (г. Донецк), доктор технических наук, профессор

Товстик Юрий Васильевич, начальник отдела соответствия техническим регламентам ГП «Донецкий экспертно-технический центр Гоструда», в 2012 г. - заведующий лабораторией отдела электрооборудования Государственного Макеевского НИИ по безопасности работ в горной промышленности, доцент кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» Донецкого национального технического университета (г. Донецк), кандидат технических наук, с.н.с., доцент

Турупалов Виктор Владимирович, декан факультета компьютерных информационных технологий и автоматики, заведующий кафедрой «Автоматика и телекоммуникации» Донецкого национального технического университета (г. Донецк), кандидат технических наук, профессор

Василец Святослав Владимирович, 2010-2014 гг. – доцент кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» Донецкого национального технического университета (г. Донецк), кандидат технических наук (2010 г.), доцент (2014 г.)

Лизан Игорь Ярославович, доцент кафедры «Электромеханические системы» учебно-научного профессионально-педагогического института (г. Артёмовск) Украинской инженернопедагогической академии, кандидат технических наук, европейский инженер-педагог

Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников  

Данное издание является авторским переводом (проф. К.Н. Маренич) на русский язык учебного пособия: Автоматизований електропривод машин і уст...

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you