МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ,

МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

К.М. Маренич, Ю.В. Товстик, В.В. Турупалов,

С.В. Василець, І.Я. Лізан

АВТОМАТИЗОВАНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД

МАШИН І УСТАНОВОК ШАХТ І РУДНИКІВ

Рекомендовано Міністерством освіти і науки,

молоді та спорту України як навчальний посібник

для студентів вищих навчальних закладів

Донецьк

ДВНЗ «ДонНТУ»

2012

2

УДК 622.012.7

ББК 34.7

А 22

Рецензенти:

Ф.П. Шкрабець, академік Академії наук вищої школи України,

завідувач кафедри електричних машин Національного гірничого університету

України (м. Дніпропетровськ), доктор технічних наук, професор;

С.Ф. Жуков, генеральний директор науково-виробничого центру

технологій управління «Квантум» (м. Маріуполь), доктор технічних наук,

професор;

Б.І. Кузнєцов, завідуючий відділом проблем управління магнітним полем

Науково-технічного центру магнетизму технічних об’єктів (м. Харків)

Національної Академії наук України, лауреат Державної премії України, доктор

технічних наук, професор.

А 22 Маренич, К.М., Товстик Ю.В., Турупалов В.В, Василець С.В.,

Лізан І.Я. Автоматизований електропривод машин і установок

шахт і рудників: Навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл. – Донецьк:

ДВНЗ «ДонНТУ», 2012. – 245 с.

ISBN 978-966-377-117-5

У навчальному посібнику наведені основні положення теорії

електроприводу, розглянуті принципи побудови та функціонування

автоматизованих електроприводів технологічних машин і установок гірничих

підприємств, проаналізовані перспективні напрями удосконалення систем

електроприводу машин і установок шахт і рудників.

УДК 622.012.7

ББК 34.7

ISBN 978-966-377-117-5

© Маренич К.М., Товстик Ю.В.,

Турупалов В.В., Василець С.В., Лізан І.Я., 2012

Рекомендовано Міністерством освіти і науки, молоді та спорту

України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних

закладів (лист №1/11-10338 від 08.11.2011 р.)

3

ЗМІСТ

ПЕРЕДМОВА ………………………………………………………...…5

РОЗДІЛ 1. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТЕОРІЇ

ЕЛЕКТРОПРИВОДУ.....................................................................7

1.1 Призначення і структура електроприводу. Особливості

застосування в умовах гірничого виробництва ……………….....7

1.2 Основне рівняння і характеристики електроприводу ……….....11

1.3 Перехідні процеси в електроприводах. Методи розрахунку

перехідних процесів ……………………………………………..14

1.4 Приведення статичних моментів та зусиль в електроприводі....18

1.5 Електромеханічні властивості двигунів постійного струму …..20

1.6 Електромеханічні властивості асинхронних двигунів ………....23

1.7 Каскадні схеми регулювання швидкісних режимів роботи

асинхронних двигунів …………………………………………....34

1.8 Електромеханічні властивості синхронних двигунів ……….…37

1.9 Способи гальмування електродвигунів ………………………....38

1.10 Принципи побудови систем управління електроприводами …..52

1.11 Засоби управління швидкісними режимами електродвигунів ...63

1.12 Динаміка пуску асинхронного двигуна.

Методи уповільнення розгону асинхронного двигуна ………....75

РОЗДІЛ 2. РЕЖИМИ РОБОТИ І РОЗРАХУНОК

ПОТУЖНОСТІ ДВИГУНІВ ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ … .…...90

2.1 Загальна характеристика режимів роботи електродвигунів …….90

2.2 Принципи вибору електродвигуна з урахуванням специфіки

типових режимів роботи …………………………………………….....95

РОЗДІЛ 3. АВТОМАТИЗОВАНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД

ШАХТНИХ ПІДЙОМНИХ УСТАНОВОК …………........…..105

3.1 Загальні відомості про системи електроприводу шахтного

підйому ………………………………………………………...….105

3.2 Улаштування і особливості функціонування установок

шахтного підйому з електроприводом постійного струму …....110

3.3 Улаштування і особливості функціонування установок

шахтного підйому з частотно-керованими двигунами ………...121

3.4 Улаштування і особливості функціонування установок

шахтного підйому при застосуванні асинхронних двигунів

з фазним ротором ……………………………………….………...126

4

РОЗДІЛ 4. ЕЛЕКТРОПРИВОД КОНВЕЄРНОГО

ТРАНСПОРТУ ..............................................................................137

4.1 Особливості улаштування і експлуатації стрічкових конвеєрів 137

4.2 Застосування тиристорних регуляторів напруги в пристроях

управління пусковими режимами асинхронних

електроприводів стрічкових конвеєрів ………………………....146

4.3 Улаштування і особливості експлуатації асинхронних

електроприводів конвеєрів з реостатними схемами управління.153

4.4 Улаштування і особливості експлуатації електроприводів

скребкових конвеєрів …………………………………………......159

РОЗДІЛ 5. ЕЛЕКТРОПРИВОД ВИДОБУВНИХ ТА

ПРОХІДНИЦЬКИХ МАШИН …………………..................…..174

5.1 Особливості улаштування і експлуатації видобувних

комбайнів і стругових установок ……………………………..…174

5.2 Електропривод подачі комбайна постійного струму …………..179

5.3 Частотно-керований асинхронний електропривод подачі

очисного комбайна ……………………………………………….181

5.4 Електропривод винесеної системи подачі очисного комбайна з

електромагнітними муфтами ковзання ………………………….190

5 .5 Електропривод прохідницьких комбайнів ……………………..193

РОЗДІЛ 6. ЕЛЕКТРОПРИВОД ЛОКОМОТИВНОГО

ТРАНСПОРТУ……...................…………………………………196

6.1 Улаштування та особливості експлуатації шахтних

електровозів ……………………………………………………….196

6.2 Напрями удосконалення електроприводів шахтних

електровозів ………………………………………………………..200

РОЗДІЛ 7. ЕЛЕКТРОПРИВОД ШАХТНИХ

СТАЦІОНАРНИХ УСТАНОВОК …………….………………208

7.1 Електропривод насосних установок ……………………………..208

7. 2 Електропривод вентиляторних установок ……………………...210

7.3 Електропривод компресорних установок …………………….....218

РОЗДІЛ 8 БЕЗПЕКА ЕКСПЛУАТАЦІЇ ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ

МАШИН І УСТАНОВОК ШАХТ І РУДНИКІВ...……...……222

8.1 Вимоги безпеки систем управління і електропостачання

електроприводів вибійних машин ……………………………….222

8.2 Вимоги безпеки при застосуванні систем управління

окремими гірничими машинами ………………………………....225

ДОДАТКИ ………………………………………………...………..…231

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ ………………………………………..…..240

5

ПЕРЕДМОВА

Сучасне гірниче підприємство являє собою комплекс

взаємопов’язаних різноманітних технологічних процесів. Майже

кожен з них характеризується високою енергоємністю, потребує

регулювання швидкісних параметрів виконавчих машин, механізмів і

вимагає забезпечення достатнього ресурсу відповідного

електромеханічного обладнання, експлуатація якого ускладнюється

специфічними умовами оточуючого середовища, що є в шахті.

Визначальну роль у роботі гірничих машин, іншого технологічного

обладнання шахти відіграють іхні електропирводи та засоби їх

автоматизації.

Таким чином, автоматизація гірничо-технологічних процесів

як один з найважливіших факторів забезпечення високих показників

видобутку вугілля, стосується, перш за все, проблематики

експлуатації автоматизованих електроприводів машин і установок

шахт і рудників.

Рішення задач, пов’язаних з розробкою і ефективною

експлуатацією засобів автоматизації виробничих процесів і, зокрема,

автоматизованих електроприводів гірничих машин, значною мірою

визначається якістю підготовки фахівців відповідного напряму і

спеціалізації. Отже, фахівець з питань автоматизації гірничо-

технологічних процесів повинен бути добре обізнаний в питаннях

улаштування та застосування автоматизованих електричних приводів

з урахуванням специфіки роботи відповідних технологічних

установок, типів та параметрів застосованих електродвигунів, вимог

щодо забезпечення безаварійної експлуатації силового

електромеханічного обладнання в умовах шахти, що відрізняються

несприятливим температурним режимом, підвищеною вологістю,

запиленістю окремих виробок, являють потенційну небезпеку

пожежі, або вибуху метано-повітряної суміші.

Враховуючи на це, в навчальному посібнику розгляд схемних

рішень і принципів роботи типових електроприводів гірничо-

технологічного обладнання базується на аналізі улаштування

відповідних гірничих машин і технологічних установок, умов і

особливостей їхньої експлуатації в шахті. Поряд з відомими і

поширеними у гірничій промисловості системами електроприводів

розглядаються найновіші розробки і перспективні напрями

удосконалення силової приводної техніки і засобів її автоматизації.

6

Перш за все, це стосується частотно-керованого асинхронного

електроприводу гірничих машин, силових тиристорних засобів

управління пуском і гальмуванням асинхронних двигунів гірничих

транспортних засобів, перспектив застосування вентильних

реактивних двигунів і т.п. Враховуючи на специфіку роботи силового

електромеханічного устаткування в шахті, особливу увагу приділено

питанням забезпечення безаварійної роботи шахтних

електроприводів в контексті положень відповідних нормативно-

технічних документів. Все це дає можливість формування у студентів

системи знань із теорії автоматизованого електроприводу машин і

установок шахт і рудників та особливостей його улаштування і

застосування в умовах шахти.

Підготовка навчального посібника базується на набутому

багаторічному досвіді викладання навчальних курсів з вивчення

загального курсу електроприводу та курсу з автоматизованого

електроприводу машин і установок шахт і рудників викладачами

кафедр «Гірнича електротехніка і автоматика ім. Р.М. Лейбова» (К.М.

Маренич, Ю.В. Товстик, С.В. Василець), «Автоматика і

телекомунікації» (В.В. Турупалов) Донецького національного

технічного університету та навчально-наукового професійно-

педагогічного інституту (І.Я. Лізан) Української інженерно-

педагогічної академії при підготовці фахівців напряму

«Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології».

7

РОЗДІЛ 1

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТЕОРІЇ ЕЛЕКТРОПРИВОДУ

Навчальною метою розділу є розгляд основних положень теорії

електроприводу, що є принципово важливими для подальшого

усвідомлення особливостей улаштування і функціонування типових

електроприводів технологічних машин і установок шахт і рудників,

включаючи засоби управління їхніми режимами роботи.

Результатом засвоєння студентами матеріалу розділу є знання

електромеханічних властивостей електродвигунів, способів

управління їхніми швидкісними режимами та режимами

гальмування, вміння розраховувати параметри перехідних процесів у

електроприводах.

1.1 Призначення і структура електроприводу. Особливості

застосування в умовах гірничого виробництва

Гірниче виробництво являє собою сукупність різноманітних,

узгоджених між собою технологічних процесів, виконання яких

обумовлене застосуванням відповідних електромеханічних пристроїв,

інших виконавчих засобів (рис. 1.1). Задачу приведення до стану руху

робочих органів технологічних установок і машин, управління їхніми

швидкісними і гальмовими режимами виконує електропривод, типова

структура якого наведена на рис. 1.2 [1]. Отже, електропривод

виконує перетворення електричної енергії, споживаної із

електромержі, у механічну енергію, що передається робочому органу

відповідної технологічної установи. В процесі роботи можливим є і

зворотне перетворення енергії.

Основними елементами електроприводів є електричні машини

(двигуни), які розрізняються у відповідності із родом споживаного

струму (змінний чи постійний), потужністю, конструкцією.

Найбільше поширення в гірничій промисловості знайшли асинхронні

двигуни з короткозамкненим ротором (нерегульовані та частотно-

керовані електроприводи очисних комбайнів, електроприводи

стругових установок, скребкових конвеєрів, окремих типів

стрічкових конвеєрів, прохідніцьких комбайнів і

8

породонавантажувальних машин, насосних установок, вентиляторів

міцевого провітрювання, поршневих компресорів, та ін.). До переваг

цих двигунів слід віднести: надійність, простоту улаштування та

обслуговування, відносно низьку коштовність, відсутність контактної

передачі електроенергії на рухомі елементи, відсутність

іскроутворення при роботі. Однак, складним є процес регулювання

кутової швидкості асинхронного двигуна з короткозамкненим

ротором, що потребує, як правило, застосування складних і

коштовних перетворювальних засобів.

Асинхронні двигуни з фазними ротором застосовуються в

електроприводах однокінцевих відкаток та у електроприводах

окремих типів магістральних стрічкових конвеєрів. В обох випадках

засобами реостатного, або каскадного регулювання реалізується

функція керованого, або уповільненого пуску відповідної гірничої

транспортної машини.

Синхронні двигуни відрізняються спроможністю підтримувати

постійну кутову швидкість при нестійкому навантаженні і в гірничій

промисловості застосовуються, здебільшого в електроприводах

вентиляторів головного провітрювання, окремих типах

турбокомпресорних установок, в системах приводів «генератор –

двигун» шахтних підйомних установок для забезпеченя і підтримання

постійної кутової швидкості генератора постійного струму. Крім

ОСНОВНІ ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ І УСТАНОВКИ ШАХТИ

Підйом Очисні

роботи

Прохідницькі

роботи Шахтний

транспорт

Стаціонарні

установки

Скіповий

Клітьовий

Одно-кінцева відкатка

Комбайни

Стругові установки

Комбайни

Породо-навантажу-

вальні машини

Насосні установки

Електро-вози

Скребкові конвеєри

Стрічкові конвеєри

Вентиляторні установки

Компресорні установки

Рисунок 1.1 – Області застосування пристроїв електроприводу в

шахтних технологічних установках

9

того, відомі системи шахтного підйому із застосуанням синхронного

двигуна в якості приводного. Регулювання швидкості підйому

забезпечується застосуванням перетворювача частоти в ланцюзі

статора цього двигуна [2].

Серед машин постійного

струму в електроприводах

гірничих технологічних

установок застосовуються

двигуни незалежного

збудження (деякі типи

регульованих електроприводів

постійного струму очисних

комбайнів; електроприводи

постійного струму шахтних

підйомних установок), а

також машини послідовного

збудження (електроприводи

постійного струму шахтних

акумуляторних і контактних

електровозів). Засоби

регулювання кутової швидкості двигунів постійного струму

відрізняються простотою та низькою коштовністю. Однак, сама

конструкція такого двигуна є достатньо складною, потребує

використання великої кількості мідних компонентів, що підвищує

коштовність машини, передбачає контактну передачу електроенергії

постійного струму на колектор. Це суттєво зменшує ресурс та

надійність машини, ускладнює процес її обслуговування, створює

іскроутворення і небезпеку виникнення колекторного полум’я. Все це

визначає тенденції переважного застосування в електроприводах

гірничої промисловості асинхронних електродвигунів.

У відповідності до типової структури електроприводу (рис. 1.2),

з метою регулювання його електромеханічних параметрів пристрій

управління може виконувати функцію впливу стосовно до

перетворювача; самого двигуна, а також, до пристрою передачі.

Функції та структура перетворювача знаходяться у відповідності до

параметрів електричної мережі, типу приводного двигуна (рис. 1.3).

Так, з урахуванням того, що напруга магістральних кабельних

ліній в шахті дорівнює 6000 В, а більшість електродвигунів

Перетворювач

Робочий

орган

Двигун

Пристрій

передачі

ЕЛЕКТРИЧНА МЕРЕЖА

Рисунок 1.2 – Структурана

схема керованого

електроприводу

Пристрій управління

10

технологічних установок розраховані на напругу меншого рівня (660

В; 1140 В), функцію перетворювача виконує трансформатор

дільничної підстанції. Крім того, в разі виконання функції

уповільненого пуску асинхронного двигуна в ланцюзі його статора

може бути застосований регулятор (тиристорний) напруги в якості

пристрою перетворення напруги промислової частоти, що подається

на статор. Глибоке і тривале регулювання величини кутової

швидкості асинхронного двигуна досягається застосуванням

перетворювача частоти в ланцюзі його статора. При застосуванні

двигуна постійного струму функцію перетворювача виконує

керований випрямляч в ланцюзі якоря вказаної електричної машини.

Це є ефективний засіб тривалого підтримання і регулювання кутової

швидкості якоря в повному швидкісному діапазоні.

Функція управління із впливом безпосередньо на двигун

визначається застосуванням засобів реостатного, або каскадного

регулювання параметрів асинхронних двигунів з фазним ротором

Регулятор напруги

Перетво-рювач

частоти

Трансформатор

Керований

випрямляч

Нерегульований асинхронний електропривод

Асинхронний електропривод з уповільненням пуску

Регульований асинхронний електропривод

Регульований електропривод постійного струму

Електромережа

Рисунок 1.3 – Варіанти застосування перетворювачів в

електроприводах

+ _

11

(перш за все, – регулювання величини кутової швидкості ротора);

реостатного регулювання кутової швидкості якоря двигуна постіного

струму.

До пристроїв передачі відносяться редуктори та муфти. Функція

управління може бути застосована щодо редуктора за умови, що цей

редуктор є багатошвидкісним. Однак, в гірничих технологічних

установках такі редуктори, як правило, не застосовуються.

Відповідно до пристроїв передачі функція управління передбачає

наявність керованих муфт. До них слід віднести електромагнітні

муфти ковзання, регулювання кутової швидкості вихідного валу яких

виконується зміною величини постійного сруму обмотки індуктора (в

якості перетворювача – керований випрямляч). Об’єктом

застосування цих муфт є привод винесеної подачі очисного комбайна.

Крім того, є позитивний досвід дослідів (експериментів) із

застосування електромагнітних муфт ковзання в електроприводах

скребкових конвеєрів. До регульованих відносяться також

гідромуфти із зміною об’єму заповнення емульсією. Але вони мають

низьку ефективність і в електроприводах гірничих технологічних

установок не застосовуються.

1.2 Основне рівняння і характеристики електроприводу

Основними параметрами електроприводу, які створюють

суттєвий вплив на механічні властивості технологічних машин і

установок є електромагнітний момент двигуна (М), його кутова

швидкість, або частота обертання (ω) та момент інерції (J1). Робочий

орган теж характеризується

відповідним моментом інерції (J2)

і створює момент опору (М оп) як

протидію рушійному

електромагнітному моменту

двигуна (рис. 1.4). Момент інерції

J1 являє собою добуток маси (m)

тіла, що обертається на квадрат

його радіуса інерції (ρ):

J = mρ2 (1.1)

М

Моп

ω

J2

J1

Рисунок 1.4 –Ілюстрація взаємодії

основних параметрів

електроприводу

12

В разі, якщо на одній осі знаходяться декілька об’єктів,

загальний момент інерції цієї системи буде дорівнювати сумі

моментів інерції кожного з вказаних об’єктів, тобто, відповідно до

рис. 1.4, Jзаг = J1+J2.

Основною характеристикою приводного двигуна є його

механічна характеристика, яка встановлює функціональну залежність

кутової швидкості двигуна від електромегнітного моменту на його

валу. Крім того, практичний інтерес має електромеханічна

характеристика – залежність між кутовою швидкістю двигуна і

споживаним електричним струмом.

Співвідношення між електромагнітним моментом двигуна та

моментом опору, прикладеним від робочого органу може бути

різним, але рушійний момент двигуна (М) в процесі роботи приводу

завжди врівноважується моментом опору (Моп) у сукупності із

інерційно-динамічним моментом (Jdω/dt), що виникає при зміні

швидкості приводу. Це положення розкриває сутність основного

рівняння електроприводу:

Мд = М - Моп =Jdω/dt, (1.2)

де Мд – динамічний момент електроприводу.

З виразу (1.2) можна зробити наступні висновки, враховуючи на

те, що момент інерції J приводу є величиною, як правило, постійною і

не може мати негативне значення:

М > Моп – умова прискореного руху приводу;

М < Моп – умова уповільнення, зменшення швидкості руху

приводу;

М = Моп – умова стійкого режиму роботи приводу (робота з

постійною швидкістю).

Сам двигун може знаходитися під різними факторами впливу з

боку засобів управління і, відповідно до цього, створювати

електромагнітний момент (М), який співпадає, або не співпадає за

своїм напрямом із напрямом кутової швидкості (ω) вала двигуна.

Відповідно до цього розрізняють рушійні та гальмові режими роботи

електродвигунів (рис.1.5). Тому в координатах механічних

характеристик двигуна виділяють чотири квадранти, два з яких (І та

ІІІ) відносяться до рушійних режимів і відрізняються один від одного

тільки напрямом обертання вала двигуна. Інші два квадранти (ІІ та

ІV) є областями режимів гальмування двигуна. При чому, попереднім

13

станом режиму гальмування є рушійний стан двигуна: у квадрант ІІ

двигун переходить з квадранта І, а у квадрант ІV – з квадранта ІІІ.

У той же час,

двигун, що знаходиться у

рушійному стані, теж

може змінювати

швидкість як у бік

збільшення, так і у бік

зменшення під впливом

керуючих, а також,

обурюючих факторів

впливу. Відповідно до

цього, розрізняють стійкі

та не стійкі механічні

характеристики двигунів

(рис. 1.6).

Механічна

характеристика двигуна

вважається стійкою, якщо двигун, працюючи у стійкому стані на цій

характеристиці, має спроможність змінювати в разі виникнення

фактрів впливу свою кутову швидкість, поступово повертаючись у

стан стійкого режиму роботи. В разі знаходження на не стійкій

механічній характеристиці, двигун під дією керуючих, або

обурюючих впливів теж виходить із стійкого стану, але в процесі

зміни швидкості подальшого повернення двигуна до стійкого стану

не відбувається. Ці положення пояснюються діаграмами (рис. 1.6).

Так, умовою стйкого стану двигуна є робота його в точці „А”, де М =

Моп (відповідно до характеристики „1” на рис.1.6, а); М = Моп1

(відповідно рис.1.6, б). Припустимо, що керуючим впливом відбулася

зміна механічної характеристики двигуна (рис. 1.6, а), і він перейшов

у точку „В” характеристики „2”. В цій точці його момент М є

меншим, аніж момент опору Моп, що, у відповідності до основного

рівняння призведе до уповільнення руху двигуна по характеристиці

„2” до точки „С”, де відновлюється стійкий стан його роботи (М =

Моп).

М

Гальмування

Гальмування

ω

Режим руху

Режим руху

ω М

ω М

II I

III IV

0

ω М

ω

Рисунок 1.5 – Області розташування

механічних характеристик двигуна в

режимах руху та гальмування

ω

М

14

В разі роботи двигуна на не стійкій механічній характеристиці

(рис. 1.6, б) у точці стійкого стану „А” можливими є наступні явища:

- момент опору Моп1 зменшився до Моп2. У цьому разі двигун

розвиває в точці „А” момент М, що є більшим за величину Моп2 і, з

урахуванням положень основного закону приводу, це призведе до

подальшого підвищення кутової швидкості двигуна із збільшенням

прискорення;

- момент опору Моп1 збільшився до Моп3. У цьому разі двигун

розвиває в точці „А” момент М, що є меншим за величину Моп3 і, з

урахуванням положень основного закону приводу, це призведе до

подальшого зменшення кутової швидкості двигуна із збільшенням

уповільнення – до повної зупинки.

1.3 Перехідні процеси в електроприводах.

Методи розрахунку перехідних процесів

Умовою знаходження електропирводу у стійкому стані є

рівність між електромагнітним моментом (М) приводного двигуна і

моментом опору (Моп), що прикладений до його валу з боку робочого

органу. В процесі роботи приводу ця рівність може бути порушеною:

- в разі зміни керуючого впливу безпосередньо щодо двигуна

(що супроводжується зміною його механічної характеристики);

- в разі зміни збурюючого впливу стосовно валу приводного

двигуна) зміни величини моменту опору.

б

Рисунок 1.6 – Діаграми щодо пояснення властивостей стійких (а)

та нестійких (б) механічних характеристик електродвигунів

A

A B

C

M

M M

Mоп

Mоп2 Mоп1 Mоп3

0 0

ω ω

а

1

2

15

В обох випадках привод виходить із стійкого ствну і, за умови

знаходження двигуна на стійкій механічній характеристиці,

поступово повертається до стану стійкой роботи, виходячи на

величину нового рівня стійкої швидкості. Цей процес займає певний

проміжок часу, на інтервалі якого кутова швидкість двигуна

змінюється від одного стійкого рівня до іншого, підвищуючись (при

M>Моп), або зменшуючись (при M<Моп). Такий процес переходу

об’єкта, або системи від одного стійкого стану до іншого стійкого

стану називається перехідним процесом.

Відповідно до електроприводу розрізняють три види перехідних

процесів:

- механічні, пов’язані із зміною кінетичної та потенціальної

енергії системи, швидкісних параметрів приводу та його елементів,

електромагнітного моменту двигуна і т.п.;

- електромагнітні, обумовлені зміною величини

електромагнітної енергії в електричній машині пропорційно

індуктивності та квадрату струму її силового ланцюга;

- теплові, обумовлені втратами енергії в активних опорах

обмоток, в сталі магнітопроводів, механічними втратами у

підшипниках і т.п.

У порівнянні з механічними, електромагнітні перехідні процеси

є менш тривалими, однак, вони є тим впливовим фактором, який

визначає характер зміни параметрів і тривалість механічних

перехідних процесів. Цей вплив на поведінку електроприводу

визначається, насамперед, типом та особливостями конструкції самої

електричної машини. Так, для машини постійного струму величина

індуктивності її обмоток впливає на швидкість зміни струму у цих

обмотках, що змінює (на інтервалі пуску двигуна) залежність його

електромагнітного моменту від кутової швидкості у порівнянні із

статичною механічною характеристикою. В машині змінного струму

індуктивність обмоток обумовлює появу вільних складових змінного

струму при контакторній комутації, що, у свою чергу, викликає

коливальну складову електромагнітного моменту на інтервалі

розгону асинхронного двигуна. Основним параметром, який визначає

тривалість електромагнітного перехідного процесу, є електромагнітна

постійна часу – відношення величин індуктивності (L) обмотки

двигуна до її активного опору (R), тобто, Tем = L/R.

Теплові перехідні процеси є найбільш тривалими і визначають

тривалість і величину зміни температури об’єкту. Тепловий стан

16

будь-якого фізичного тіла змінюється за експонентою як при

нагріванні, так і при охолодженні. Параметри експоненти зміни

теплового стану об’єкту (зокрема, двигуна) характеризуються

тепловою постійною часу ТТ, яка, у свою чергу, визначається

відношенням теплоємності (С) цього двигуна до тепловідачі (А),

тобто, ТТ = С/А. Важливим показником теплового перехідного

процесу є також перевищення (τ) температури об’єкту над

температурою оточуючого середовища (перегрів об’єкту) і, зокрема,

стійке перевищення температури двигуна:

τст = ΔР/А, (1.3)

де ΔР – потужність втрат при роботі двигуна з постійним

навантаженням, що являє собою різницю між величиною потужності

(Р1), споживаної двигунам, і потужністю (Р) на його валу:

ΔР = Р1 – Р. (1.4)

При ΔР = const величина перевищення температури двигуна

визначається з рівняння теплового перехідного процесу:

ее Tt

t

почTt

t

ст

)1( (1.5)

де τпоч - величина початкового перевищення температури

двигуна.

Експлуатаційні властивості електроприводу безпосередньо

визначаються параметрами механічних перехідних процесів, аналіз

яких базується на основному рівнянні електроприводу.

MMM ДОПdt

dJ

, (1,6)

де МД – динамічний момент електроприводу.

Задача знаходження параметрів перехідного процесу

електромеханічної системи полягає у визначенні терміну існування

перехідного процесу та закономірності зміни швидкості, моменту і

т.п. параметрів приводу на інтервалі існування перехідного процесу.

Однам з ефективних способів вирішення цієї задачі є графо-

аналітичний метод розрахунку. Він також базується на основному

рівнянні електроприводу і полягає у наступному.

Вихідними даними для розрахунку перехідного процесу мають

бути: механічна характеристика двигуна з урахуванням керуючого

впливу (при наявності останнього); величина (характеристика зміни)

моменту опору МОП; величина моменту інерції приводу (J).

17

Розрахунок перехідного процесу роботи електроприводу графо-

аналітичним методом розпочинається з побудови механічної

характеристики ω = f(M) приводного електродвигуна і

характеристики моменту опору МОП у ІІ квадранті (рис.1.7).

Графічним відніманням величини МОП від М, має бути побудована

характеристика динамічного моменту привода ω = f(MД). Подальше

застосування графо-аналітичного методу полягає в переході від

першої похідної швидкості за часом до відношень елементарних

прирощень швидкості до відповідних прирощень часу, тобто, Δωi/Δti.

Цей перехід може бути здійснений за умови, якщо MД= const.Таким

чином, ординату зміни динамічного моменту приводу MД слід

поділити на n елементарних ділянок Δωi і на кожній ділянці

визначити середнє значення динамічного моменту приводу MДср і,

вважаючи його величиною постійною (MДср і = const).

Наступним кроком є розрахунок елементарного прирощення

часу Δti., яке відповідає елементарному прирощенню швидкості Δωi,

користуючись формулою, яка отримана з основного закону

електроприводу за умови постійної величини динамічного моменту

приводу на і-й ділянці зміни швидкості:

Δω1

Δω3

Δω4

Δω2

Моп Мд ср1

Мд ср2

Мд ср3

Мд

ω

М

Мд ср4

0

M

Δω4

Δω1

Δω3

Δω2

ω

t

Δt1 Δt2 Δt3 Δt4

0

Рисунок 1.7 – Приклад визначення параметрів перехідного процесу

пуску асинхронного електроприводу графо-аналітичним способом

Мд ;

Мд

ω

A

A B B

C C

D

D

E

E

18

Δti = J Δωi / MДср і (1.7)

У подальшому, в координатах ω = f(t) має бути побудована

характеристика механічного перехідного процесу роботи

електроприводу методом побудови координат Δti і відповідних їм

координат Δωi .

Також може бути побудована залежність МД = f(t). Для цього

вісь ординат характеристики перехідного процесу має бути визначена

у масштабі моменту. В кінцевих точках ділянок Δti.(які розташовані

по абсцисі) слід побудувати в масштабі моментів точки миттєвих

значень динамічного моменту приводу, які відповідають кінцевим

точкам відповідних елементарних прирощень швидкості Δωi . В точці

«Е» (рис.1.7) величина динамічного моменту приводу МД дорівнює

нулю, що є ознакою закінчення перехідного процесу розгону

електроприводу.

З аналізу перехідного процесу пуску асинхронного двигуна у

складі електроприводу, приклад розрахунку якого наведений на рис.

1.7, можна зробити наступні висновки:

- збільшення моменту опору, що прикладений до валу двигуна,

приводить до зменшення величини динамічного моменту приводу,

що, у свою чергу, обумовлює збільшення тривалостей елементарних

прирощень часу Δti і тривалості розгону приводу.в цілому;

- цей же результат має бути отриманий в разі електроживлення

асинхронного двигуна напругою зменшеної величини, коли суттєво

(у квадратичній залежності до величини напруги мережі) зменшиться

величина моменту двигуна М = f(U2) і, відповідно, величина

динамічного моменту привода (МД = М – Моп).

1.4 Приведення статичних моментів та зусиль в електроприводі

Найрозповсідженішим є електропривол, у якому електромаг-

нітний момент передається на вал робочого органу машини не

безпосередньо, а через редуктор (з метою узгодження величини

кутової швидкості вихідного валу привода з потрібною кутовою

швидкістю обертання валу робочого органу). Особливістю такого

елктроприводу є наявність певної кількості його рухомих елементів,

які обертаються із різними кутовими швидкостями. Крім того, у

складі приводу можуть бути і рухомі елементи, що переміщуються

19

лінійно. Параметри вієї цієї складної системи мають бути приведені

до валу електродавигуна (або валу робочого органу машини) з

урахуванням енергетичного балансу системи.

Задачею приведення моментів та зусиль опору в електроприводі

є визначення величини фактичного моменту опору, що прикладається

до валу двигуна (Мопд) у складній кінематичній схемі приводу за

умови, якщо є відомою величина маменту опору на валу робочого

органу виробничого механізму (Мопм) цього приводу (рис. 1.8). У

спрощеній формі (для інженерних розрахунків) ця задача

вирішується за умови нехтування зазорами та пружністю окремих

елементів трансмісії приводу.

На основі рівності потужностей на валу двигуна і на валу

робочого органу отримуємо співвідношення [1;3]:

- стосовно до обертового руху (шестерня з моментом інерції J3

передає рух на робочий орган 1):

дОПД

П

МОПМ ММ 1

1 , (1.8)

звідки

П

ОПМ

ПД

М

ОПМОПДі

МММ

11 , (1.9)

Jд; ωд

Двигун

Редуктор

ω1

J2

1

J3

1

Jм1; ωм1

Робочий орган 1 J5

1 Мопм

Мопд

Jм2;

J4

1

Робочий орган 2

Fоп.м

Vм

m

ω м2

Рисунок 1.8 – Комбінована кінематична схема

електроприводу з елементами обертового ( робочий

орган 1) та обертово-поступового ( робочий

орган 2) руху

20

- стосовно до обертово-поступового руху (шестерня з моментом

інерції J3 передає рух на робочий орган 2):

ДОПД

П

МОПМ МVF 1

(1.10)

звідки

ПД

М

ОПМОПД

VFМ

1 , (1.11)

де ηп – ККД передачі; і = ωд/ωм1 – передаточне число редуктора;

VM – швидкість поступового руху елементу робочого органу з масою

m; Fопм – сила опору руху виробничого механізму.

В кінематмчній схемі приводу за наявності елементів

обертового та поступового руху, елементів обертового руху, що

знаходяться на різних осях редуктора (мають різні кутові швидкості)

має бути визначений приведений момент інерції системи. Цим

приведеним моментом інерції кінематичної системи є момент інерції

найпростішої системи, що складена з елементів, які обертаються зі

швидкістю осі, до якої відбувається приведення і яка має такий запас

кінетичної енергії, який дорівнює запасу кінетичної енергії реальної

кінематичної схеми приводу.

Таким чином, сумарний момент інерції, приведений до валу

двигуна визначається з положення, що кінетична енергія всього

приводу (з урахуванням цього приведеного до валу двигуна моменту

інерції) дорівнює сумі показників кінетичної енергії окремих рухомих

його мас. Стосовно до рис. 1.8 при роботі робочого органу 2

(обертово-поступальний рух) це положення описується виразом:

22222222

22

2

2

2

2

4

2

1

3

2

1

2

2

1

22

VmJJJJJJJ

MM

M

Mдвдв

дв

дв

пр

, (1.12)

Звідси, момент інерції всього приводу, приведений до валу

двигуна (Jпр), визначається в результаті множення всіх елементів

рівняння (1.12) на число (2/ ω2дв).

1.5 Електромеханічні властивості двигунів постійного струму

Серед різноманіття електричних машин постійного струму у

складі електроприводів технологічних установок шахт застосування

знайшли двигуни постійного струму незалежного та послідовного

21

збудження. Схеми підключення їх до джерела живлення наведені на

рис. 1.9.

Cтійкий режим роботи двигуна постійного струму

характеризується тим, що напруга його живлення U (що прикладена

до двигуна) врівноважується падінням напруги на сукупності опорів

силового ланцюга IЯКΣR та ЕРС якоря E:

U =IЯКΣR+ E; (1.13)

Е = сФω, (1.14)

де с- конструктивний коефіцієнт

двигуна; ω – кутова швидкість якоря

двигуна; Ф – магнітний потік, величина

якого обумовлена струмом Іоз в обмотці

збудження (ОЗ) двигуна (рис.1.10).

Аналітичні вирази (1.13) і (1.14)

обумовлюють струкутру формули

електромеханічної характеристики

двигуна постійного струму:

сФ

R

сФ

U І як

, (1.15)

де перша складова правої частини

рівняння являє собою вираз швидкості

М

КМ Іяк

Рисунок 1.9 - Схеми електроживлення двигунів постійного струму

незалежного (а) та послідовного(б) збудження

+ _

а

+ _

КМ

Rдод ОЗ

Е Іяк

+ _

б

Rдод

Е ОЗ

М

U U

0 І ІІ ІІІ Ізб

Ф

Рисунок 1.10 – Залежність

магнітного потоку машини

постійного струму від

струму збудження

22

неробочого ходу якоря двигуна, а друга складова – втрати швидкості

якоря, що працює під навантаженням:

сФ

U0

(1.16)

сФ

RІ як

(1.17)

З урахуванням функціональної залежності між

електромагнітним моментом двигуна та струмом якоря (М=сФIЯК) і

формули (1.14) може бути визначений аналітичний вираз для

механічної характеристики двигуна постійного струму, а саме:

ФcФс

RMU22

(1.18)

Таким чином, регулювання кутової швидкості якоря двигуна

постійного струму можна виконувати шляхом зміни величини

напруги живлення (постійного струму), або введенням в ланцюг

якоря додаткових резисторів (рис. 1.11). Процес регулювання зміною

живлячої напруги відбувається при незмінному нахилі характеристик

двигуна, які (за умови відсутності додаткових резисторів у якірному

ланцюзі) відрізняються великою жорсткістю.

Жорсткість механічної характеристики – це є відношення

діапазону зміни електромагнітних моментів, що розвиває двигун, до

відповідного діапазону зміни кутової швидкості вала.

Такий спосіб здебільшого запроваджують в установках

електроприводу машин з нестійким моментом опору, в яких слід

підтримувати стійкий швидкісний режим.

Двигуни востійного струму з послідовним збудженням (серієсні

двигуни) відрізняються тим, що їхня обмотка збудження ввімкнена

безпосередньо у силовий ланцюг якоря двигуна. Таким чином, струм

збудження двигуна є струмом його якоря і може змінюватися у

широкому діапазоні. Відповідно до цього, може змінюватися

магнітний потік двигуна, і у формулах (1.15) –(1.18) слід враховувати

його у функціональній залежності від струму якоря, тобто, Ф(Іяк).

Цьому відповідає сімейство механічних і електромеханічних

характеристик (рис. 1.11, б). Особливістю експлуатації двигуна з

послідовним збудженням є те, що із наближенням його моменту

навантаження (і струму якоря) до нульового значення, кутова

швидкість якоря має тенденцію зростання до нескінеченності. Для

23

такого двигуна не можливо запровадити режим неробочого ходу,

його не можна ввести у режим генераторного гальмування (на

відміну від двигуна із незалежним збудженням).

1.6 Електромеханічні властивості асинхронних двигунів

Асинхронні двигуни є найрозповсюдженішими електричними

машинами завдяки прийнятним експлуатаційним властивостям,

простій, більш компактній і надійній конструкції, відсутності

контактуючих рухомих вузлів (за винятком машин з фазним

ротором), суттєво меншій вартості у порівнянні з машинами

постійного струму. Розразніють асинхронні двигуни з

короткозамкненим і фазним ротором. Останні дозволяють

впроваджувати керування швидкісним режимом електроприводу

шляхом безпосереднього впливу на двигун методом введення

додаткових роторних опорів, або зовнішньої ЕРС – в обмотку ротора

машини.

Асинхронний двигун може бути представлений Г-подібною

схемою замішення (рис. 1.12), де позначені: R1; X1 – активний та

індуктивний опір статора; R’2 X’2 - приведений до статора активний

та індуктивний опір ротора; R0; X0 – активний та індуктивний опір

ланцюга намагнічування; s– ковзання ротора відносно кутової

швидкості поля статора:

М; Іяк М; Іяк

М1; Іяк1

Δω1

ω ω

0 0

U1

U1

U2<U1 U2<U1

U1; Rдод > 0

U1; Rдод > 0

а б

Рисунок 1.11 – Механічні (електромеханічні) характеристики двигуна

постійного струму незалежного (а) і послідовного (б) збудження

24

s = (ω0 – ω)/ω0 ; (1.19)

де ω – фактична кутова швидкість обертання ротора двигуна.

Кутова швидкість

неробочого ходу

асинхронного двигуна

визначається частотою f

напруги мережі живлення

і кількістю пар полюсів p

двигуна:

ω0 = 2πf/p (1.20)

Електричний струм,

споживаний асинхронним двигуном має бути представлений сумою

струму намагнічування І0 і приведеним струмом ланцюга ротора І’2 :

))2'

21

2'

2

1

'

2

(( XXR

R

UI

s

ф

(1.21)

Враховуючи на це і з урахуванням виразу (1.19), маємо графічну

інтерпретацію залежності споживаного асинхронним двигуном

струму І1 від величини кутової швидкості ротора ω, тобто,

електромеханічну характеристику асинхронного двигуна (рис. 1.13).

Ця характеристика показує, що однією з найважливіших ознак,

притаманних асиинхронному двигуну, є суттєве перевищення

пусковим струмом Іп величини номінального (робочого) струму Ін

цієї електричної машини. Як правило, ця кратність пускового струму

знаходиться у межах 6 < (Іп/Ін) < 7. Тільки в окремих типах

асинхронних двигунів завдяки запровадженню спеціальних форм

перетину обмотки ротора ця кратність струмів декілька зменшується.

Однак, принциповим є те, що стопоріння (відсутність руху) ротора

асинхронного двигуна за наявності напруги живлення на його статорі

призведе до протікання пускового струму по обмотках. При терміні

існування такого струму більш, ніж 5 6 с (для більшості типів

асинхронних двигунів) це може спричинити перегрів ізоляції обмоток

X1 R1 X’2

R1 / s X0

R0

І1

І’2

UФ

Рисунок 1.12 – Схема заміщення

асинхронного двигуна

25

і пошкодження самого двигуна. В системах електроприводів гірничих

машин застосовується тепловий хахист асинхронних двигунів на

основі використання теплових датчиків (терморезисторних, а також

датчиків „теплове реле” ДТР-3М). Крім того, в схемах пускачів

асинхронних двигунів передбачений блок непрямого теплового

захисту двигуна від перевантаження (ТЗП), в якому моделюється

тепловий режим двигуна на основі вимірювання споживаного струму

[4;5].

Умовою визначення механічної характеристики асинхронного

двигуна є аналіз складових його електромагнітної потужності:

Рем = m Uф I’2 cos φ = М ω0, (1.22)

де m - число фаз статора двигуна.

))

cos2'

21

2'

2

1

'

2

(( XXR

R

R

s

s

(1.23)

))()(( 2'

21

2

'

2

10

'

2

2

XXR

R

RUМ

ss

mф

ем

,

(1.24)

З урахуванням фактичних

величин ковзання s ротора,

отримуємо механічну

характеристику асинхронного

двигуна (рис. 1.13), яка має

наступні характерні параметри: Мп–

момент пусковий; Мн– момент

номінальний; Мк– момент

критичний (максимальний), якому

відповідає критичне ковщання sк:

)2'

21

2

110((2

2

XXRR

mUМ

ф

к

(1.25)

0 Ін Іп І1

Рисунок 1.12- Електромеханічна

характеристика асинхронного двигуна

ω ω0

ω н

Рисунок 1.13 – Механічна

характеристика асинхронного

двигуна

0

ω н

Мн Мп Мк М

ω 0

ω sк

sк

26

)2'

21

2

1

'

2

( XXR

RsК

(1.26)

В разі нехтування активними опорами обмоток асинхронного

двигуна, його механічна характеристика може бути представлена

спрощеною формулою:

М = 2Мк/((s /sк )+(sк /s)) (1.27)

З аналізу механічної характеристики асинхронного двигуна

(вираз 1.24 і рис. 1.13) можна зробити наступні висновки:

- критичний момент Мк асинхронного двигуна є пропорційним

квадрату величини напруги U його живлення;

- величина синхронної кутової швидкості ротора асинхронного

двигуна ω0 є пропорційною частоті f напруги живлення і знаходиться

у зворотній пропорції до кількості пар p полюсів двигуна;

- критичне ковзання sк асинхронного двигуна є пропорційним

величині активного опору ланцюга його ротора;

- критичний момент Мк асинхронного двигуна не залежить від

величини активного опору ланцюга його ротора.

Ці положення є основними, що обумовлюють способи

регулювання кутової швидкості асинхронного двигуна:

- зміною частоти напруги живлення (рис. 1.14);

- зміною числа пар полюсів двигуна (рис. 1.15);

- зміною величини додаткового роторного опору (рис.1.16).

В процесі частотного регулювання швидкісного режиму

асинхронного двигуна важливим є підтримання стабільної величини

критичного моменту машини. Нехтуючи величинами активних опорів

обмоток двигуна (що є замалими), цей критичний момент може бути

представлений аналітичним виразом:

Мк = mUф2/(2ω0 (x1 + x’2)) (1.28)

Враховуючи на те, що індуктивні опори обмоток двигуна

визначаються відповідними індуктивностями L, а саме: Х1 = 2πfL1;

Х’2 = 2πfL’2 , та з урахуванням виразу (1.20), перетворюємо формулу

(1.28):

27

Мк = mрUф2/(8π

2f

2(L1+ L’2)) (1.29)

В цьому виразі величинами, що підлягають керуванню при

застосуваннi керуючого впливу щодо асинхронного двигуна є тільки

величина напруги живлення, та його частота. Чило фаз m, кількість

пар полюсів р та індуктивності обмоток L1 та L’2 двигуна є

величинами незмінними і визначаються особливостями конструкції

останнього. Таким чином, умовою забезпечення постійної величини

критичного моменту асинхронного двигуна при частотному

регулюванні є підтримання постійного відношення величини напруги

живлення двигуна до його частоти (правило М.П. Костенка):

Uф / f = const (1.30)

Зменшення частоти при не змінній величині напруги живлення

призведе до суттєвого збільшення момнту двигуна (більш, ніж

номінальний критичний момент Мк н), що є небезпечним стосовно

пошкодження механічних елементів трансмісії і має

супроводжуватись підвищеним споживаним струмом через

зменшення індуктивних опорів двигуна. В разі, якщо збільшити

частоту напруги живлення асинхронного двигуна до величини, що

перевищує частоту мережі, то для забезпечення номінального

критичного моменту (що відповідає роботі двигуна при номінальній

напрузі промислової частоти) необхідним є підвищення величини цієї

напруги живлення. В умовах промислового підприємства це потребує

Рисунок 1.14 – Механічні характеристики асинхронного двигуна при

частотному керуванні швидкісними режимами

а - Uф / f = const; б - Uф = const

0

ω

М

ω f1

sк

а

б

f2 < f1

sк

f3 < f2

sк

f2 < f1 f3 < f2

sк

f1

sк

0

М М к н М к н

ω01

ω02 ω03

ω01

ω02 ω03

28

застосування спеціальної трансформаторної підстанції, розрахованої

на формування вихідної напруги підвищеної величини, і, відповідно,

розрахованих на цю напругу силової комутаційної апаратури

(автоматичні вимикачі, магнітні пускачі) та апартів захисту (зокрема,

від витоку струму на землю). Ці фактори є об’єктивними

обставинами, що ускладнюють, а у більшості випадків –

унеможлувлюють застосування режимів управління швидкісними

режимами гірничо-технологічного устаткування при живленні

приводних асинхронних двигунів напругою частоти, більшої, ніж

промислова частота мережі (в Україні – 50 Гц).

Як правило, перетворювання частоти у промислових

електроприводах відбувається в діапазоні від нуля до номінальної

частоти мережі. В цьому діапазоні може бути встановлений будь-

який рівень частоти вихідної напруги перетворювача. Відповідно,

цим можна підтримувати будь-який рівень кутової швидкості двигуна

в діапазоні швидкостей від нуля до номінальної.

На відміну від цього, зміною числа пар полюсів має бути

досягнуте східчасте

регулювання кутової

швидкості асинхронного

двигуна відповідно до

задіяної кількості пар

полюсів обмотки статора. У

гірничій промисловості

такий спосіб реалізується

застосуванням

двошвидкісних двигунів з

двома різними статорними

обмотками і з числом

полюсів, відповідно, 2р=4 і

2р=12.

Спосіб реостатного регулювання кутової швидкості

асинхронного двигуна стосується тільки машин з фазним ротором і

реалізується підключенням групи зовнішніх резисторів у ланцюг

трифазної роторної обмотки двигуна (рис. 1.16, а). Здебільшого, цей

спосіб застосовується для управління режимом розгону

(уповільненням розгону) двигуна шляхом поступового закорочування

окремих секцій додаткових роторних резисторів. Наявність цих

0

ω

М

2р= 4

2р=12

sк

М к н

ω01

ω02

Рисунок 1.15 – Механічні характеристики

асинхронного двигуна при керуванні

швидкісними режимами зміною числа

пар полюсів обмотки статора

29

резисторів призводить до збільшення нахилу механічної

характеристики двигуна, в результаті, зростає його пусковий момент.

Так, штучна механічна характеристика 3 (рис. 1.16,б) відповідає

підключенню в ланцюг ротора двигуна всіх секцій додаткових

роторних резисторів (Rдод1 + Rдод2 +Rдод3).

Процес керованого розгону асинхронного двигуна при

реостатному управлінні ілюструється діаграмами його механічних

характеристик (рис. 1.16,б). Початковий момент М1 обирають за

умови, що його величина не повинна перевищувати величину

номінального критичного моменту двигуна, тобто, М1 = 0,8 0,9 МК.

Момент переключення роторних опорів має перевищувати величину

номінального моменту двигуна: М2 = 1,1 1,2 МН. Таким чином,

пуск двигуна розпочинається по характеристиці 3. При досягненні

цією характеристикою точки з моментом переключення М2 (точка

«е», рис. 1.16,б) спрацьовує контактор КМ1 і закорочує групу

ПМХ

а

КМ1

трифазна мережа

КМ3

М

КМ4

КМ2

Rдод1

Rдод2

Rдод3

0

ω 0

ω

МН М2 М1 МК

М

1

2

3

а b

e

f

б

Рисунок 1.16 – Силова схема (а) і

механічні характеристики (б)

електроприводу при

реостатному регулюванні

швидкісного режиму асинхронного

двигуна

МП

c

d

30

додаткових резисторів Rдод1. Надалі двигун переходить на штучну

характристику 2, яка утворена за рахунок наявності групи додаткових

роторних опорів Rдод2 +Rдод3. У подальшому, в точці перетину

характеристики 2 з моментом М2 спрацьовує контактор КМ2 і

закорочує групу додаткових резисторів Rдод2, переводячи двигун на

штучну характристику 1. Процес подальшого переходу двигуна на

природну механічну характеристику (ПМХ) відбувається аналогічно,

спрацьовуванням контактора КМ3, коли момент асинхронного

двигуна, що розганяється по характеристиці 1 досягає величини

моменту переключення М2.

Кількість секцій (m) додаткових роторних опорів розраховується

за формулою:

ММ

МsM П

m

Н

Н 2)1( 1

1 , (1.31)

де Мн –номінальний момент двигуна; МП - середній пусковий

момент двигуна, що розраховується, як МП = ((М1 – М2)/2)+ М2.

Наведена сукупність даграм механічних характеристик

асинхронного двигуна при розгоні засобами реостатного

регулювання дозволяє використати графічний спосіб розрахунку

величин додаткових роторних опорів:

- розраховується номінальний опір роторного ланцюга:

3

2

2

IU

RH

H

Н , (1.31)

де U2Н ; І2Н – номінальні дані ротора;

- розраховується масштаб mR роторного опору:

mR = RH/ Δl a-f , (1.32)

де Δla-f – довжина відрізку (а-f) на діаграмі механічних характристик

(рис. 1.16,б);

- розраховуються величини додаткових роторних опорів

шляхом множення величини mR на довжини відповідних відрізків між

штучними характеристиками двигуна на лінії номінального моменту:

Rдод1 = mR Δl d-e ;

31

Rдод2 = mR Δl c-d ;

Rдод3 = mR Δl b-c .

Реостатне регулювання швидкісного режиму асинхронного

двигуна потребує найдешевшого устаткуваання, але відрізняється як

не економічний спосіб, оскільки енергія ковзання ротора в процесі

регулювання у значній мірі перетворюється на теплову енергію

нагріву додаткових роторних резисторів.

Непрямим способом

впливу на рушійні

властивості асинхронного

двигуна слід вважвти

регулювання величини

напруги його живлення при

постійній прмисловій

частоті. Цьому способу

відповідає сімейство

механічних характеристик

(рис. 1.17), які мають

однакову синхронну

швидкість, але

відрізняються величиною

критичного моменту, що

знаходиться у квадратичній

залежності від величини

живлячої напруги (1.24;

1.25). Стійка робота

двигуна визначається

доволі малим інтервалом кутових швидкостей – від швидкості

неробочого ходу до швидкості, що відповідає критичному моменту.

Однак, із зменшенням кутової швидкості (збільшенням ковзання

ротора) суттєво збільшується струм (1.21) силових ланцюгів двигуна

(рис. 1.12). Тому тривале електроживлення асинхронного двигуна

напругою зменшеної величини є неприйнятним через небезпеку його

неприпустимого перегріву.

Спосіб електроживлення двигуна зменшеною напругою

застосовкють для уповільнення пуску електропривода шляхом подачі

на двигун напруги, що збільшується від початкового зменшеного

рівня до номінальної величини за наперед заданим законом

(розімкнена система управління), або шляхом регулювання напруги

Рисунок 1.17 – Механічні характеристики

асинхронного двигуна при

керуванні швидкісними режимами

зміною величини напруги живлення

ω U1 < UH UH

sк

0

М

М к н

ω0

U2 < U1

sк

32

живлення двигуна у функції розузгодження заданої і фактичної

швидкості розгону привода (замкнена за параметром швидкості

приводу система автоматичного управління).

Суттєвим недоліком асинхронного двигуна з короткозамкненим

ротором є його замалий пусковий момент, що заважає

використовувати цю електричну машину в електроприводах із

значним моментом опору. У той же час, електроприводи переважної

більшості гірничих машин і, зокрема, очисних комбайнів

відзначаються наявністю значних моментів опору, зокрема, при

пуску. Це технічне протиріччя вирішується зміною форми перетину

провідників роторної обмотки двигуна з урахуванням ефекту

витіснення роторного струму [6]. Цей ефект пояснюється

наступним. Індуктивний опір роторних обмоток визначається

величиною потоків розсіювання Фσ2, що зціплені з іхніми

провідниками. Припустимо, що конструкція роторної обмотки

двигуна передбачає наявність подвійних стрижнів (рис. 1.18,а), з яких

завнішні 1 мають менший перетин, а внутрішні 2 – більший. Оскільки

зовнішні стрижні роторної обмотки розташовані ближче до поверхні

ротора, то зчеплені з ними потоки розсіювання не є великими, тому

обмотка, що виконана із зовнішніх стрижнів 1 має малий реактивний

опір Х2П. На відміну від цього, обмотка, що утворена стрижнями 2 є

віддаленою від поверхні ротора і має більший реактивний опір Х2Р.

При протіканні струму по обмотках ротора, його складові

розподіляються в обмотках 1 і 2 наступним чином:

ХR

ХRІІ

ПП

РР

Р

П

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

(1.33)

На початку пуску частота струму ротроа є максимальною

(дорівнює частоті мережі і в процесі розгону двигуна зменшуються).

Тому, індуктивний опір обмоток набагато перевищує їх активний

опір. Розподіл струмів у зовнішній та внутрішній обмотках ротора

визначається індуктивними опорами цих обмоток. Оскільки Х2П <Х2Р,

пусковий струм буде переважно протікати по зовнішній обмотці

ротора, що є пусковою. Оскільки ця обмотка має менший перетин і,

відповідно, більший активний опір R2П, вона створює підвищений

пусковий момент двигуна.

33

В процесі розгону ротора, частота роторного струму суттєво

зменшується, і розподіл струмів у зовнішній та внутрішній обмотках

ротора визначається активними опрами цих обмоток. Перетин

зовнішньої (пускової) обмотки 1 є меншим за перетин внутрішньої

обмотки 2, що обумовлює відповідне співвідношення їхніх активних

опорів R2П >R2Р. Це обумовлює витіснення роторного струму у

внутрішню обмотку 2, яка виконує функції робочої обмотки ротора.

Застосування принципу витіснення роторного струму

перебдачає впроваджувати спеціальні форми перетинів роторної

обмотки і дозволяє отримувати підвищення пускового моменту

асинхронного двигуна і декілька зменшувати величину його

пускового струму (рис. 1.18,б).

1

Фσ2

2

Рисунок 1.18 – Властивості принципу витіснення роторного струму

а – розподіл потоків розсіювання Фσ2 відносно перетину провідника

обмотки ротора; б – форма механічних характеристик асинхронного

двигуна у залежності від форми перетину провідника обмотки ротора

М

ω

0

М к н

ω0

а

б

34

1.7 Каскадні схеми регулювання швидкісних режимів роботи

асинхронних двигунів

Одними з ефективних засобів управління швидкісним режимом

роботи асинхронного двигуна є застосування каскадної схеми

регулювання. Цей засіб може бути застосований виключно для

керування асинхронним двигуном з фазним ротором і, як правило,

реалізується схемою асинхронного машиновентильного (АМВК), а

також, асинхронного вентильного (АВК) каскаду (рис.1.19).

В схемі АМВК (перемикач К1 у положенні «І») енергія

ковзання ротора двигуна М1 передається через ланку випрямлення

трифазної ЕРС ротора (мостовий випрямляч В) на ланцюг якоря

двигуна постійного струму М2. Таким чином, має місце перший

каскад перетворення електричної енергії ковзання ротора двигуна

М1

М2

М3

мережа TV1

L1

АІ1

В1

КМ1

+ ОЗ --

+ --

І

ІІ

АМВК АВК

Рисунок 1.19 – Схема підключення асинхронного двигуна (М1) з

фазним ротором до каскадних схем управління швидкісними

режимами

K1

35

М1 у механічну енергію на валу двигуна М2. У подальшому, за

наявності синхронного генератора М3, кінематично з’єднаного з

валом двигуна М2, матиме місце другий каскад перетворення –

механічної енергії вала двигуна М2 у електричну енергію виходу

генератора М3, яка може бути віддана у живлячу мережу (за умови

ввімкнення контактора КМ1). Цим пояснюється висока економічність

каскадного способу впливу на параметри асинхронного двигуна.

За умови наявності струму в обмотці збудження (ОЗ) двигуна

М2, на його якорі буде утворюватись ЕРС (ЕЯК). Струм роторного

ланцюга асинхронного двигуна М1 буде обумовлений величиною

ЕРС його ротора (Е20s) за винятком ЕРС якоря (ЕЯК) і падіння напруги

(ΔU) на активних опорах ланцюга ротора, включаючи опори діодів

мостового випрямляча, які є у провідному стані. Параметром

обмеження цього струму є еквівалентний активний опір усіх

елементів ротоного ланцюга (Rек) [3,7]:

І2 = (Е20s - ЕЯК –ΔU) / Rек , (1.34)

де Е20 – середнє значення ЕРС на виході випрямляча при нерухомому

стані ротора двигуна (на початку пуску; ω = 0; s = 1);

Режиму неробочого ходу відповідає нульове значення роторного

струму (І2 = 0). Тоді ковзання ротора двигуна у цьому режимі

визначатиметься величиною ЕРС якоря двигуна М2:

s0 = (ЕЯК +ΔU)/ Е20, (1.35)

m

mЕЕ К

sin2

220 , (1.36)

де Е2К – лінійна напруга на кільцях ротора двигуна М1 при

нерухомому стані ротора (ω = 0; s = 1). Стосовно до трифазної

мостової схеми випрямляча (що в ланцюзі ротора двигуна М2), має

місце співвідношення: Е20 = 1,35 Е2К.

Шляхом регулювання струму збудження двигуна М2 можна

формувати його ЕРС якоря у широкому діапазоні величин. Тоді

кожна і-та величина ЕРС якоря буде обумовлювати відповідну

величину ковзання і швидкості неробочого ходу двигуна М1:

)1(

2

00

ЕЕ

К

ЯКі

і , (1.37)

36

)(0

0

2

20

ssR

ЕЕК

М

, (1.38)

На рис. 1.20,а наведена сукупність механічних характеристик

асинхронного двигуна при його роботі у складі АМВК, яка засвідчує,

що із підвищенням ЕРС якоря двигуна М2, яка впливає на роторний

ланцюг двигуна М1, кутова швидкість останнього має тенденцію до

зменшення. Декілька зменшена жорсткість штучних механічних

характеристик двигуна М1 у порівнянні із його природною

механічною характеристикою обумовлена наявністю несуттєвих

активних опорів у ланцюзі ротора, що створюють шини (провідники)

приєднання випрямляча (В), його діоди у провідному стані, обмотка

якоря двигуна М2.

Процеси в схемі асинхронного вентильного каскаду (на рис. 1.19

перемикач К1 у положенні «ІІ») в основному, що стосується

регулювання швидкості ротора двигуна М1 є аналогічними

вищерозглянутим, але на відміну від АМВК, в схемі АВК додаткова

ЕРС, (Едод) що впливає на ланцюг ротора двигуна М1 створюється не

електричною машиною, а статичним силовим напівпровідниковим

пристроєм – автономним інвертором (АІ1). Його тиристорами керує

система імпульсно-фазового управління, створюючи задані величини

кутів β випередження ввімкнення тиристорів. Тому мають місце

наступні залежності:

Едод = ЕАІ0 cos β (1.39)

s0 = ЕАІ0 cos β /Е20, (1.40)

)1(

2

0

00

cos

E

E

К

iAI

i

, (1.41)

де ЕАІ0 =2,34 ЕФТ – ЕРС неробочого ходу автономного інвертора (АІ)

при β = 0 ел. град.; ЕФТ = ЕРС фази трансформатора TV1.

На рис. 1.20,б наведені механічні характеристики асинхронного

двигуна при роботі його в системі АВК, які ілюструють характер

впливу на процеси з боку автономного інвертора, який створює різні

величини додаткових ЕРС, в обмотках ротора двигуна у залежності

від величин фазових кутів β.

37

Таким чином, каскадні засоби дозволяють регулювати величину

кутової швидкості асинхронного двигуна у широкому діапазоні,

підтримувати достатньо високий рівнь жорсткості механічних

характеристик і відрізняються можливістю повернення частини

енергії ковзання ротора у живлячу мережу. Зокрема, в схемі АВК

рекуперація енергії ковзання ротора двигуна М1 у мережу живлення

відбувається через мостовий випрямляч В1, тиристори автономного

інвертора АІ1 та узгоджувальний трансформатор TV1.

1.8 Електромеханічні властивості синхронних двигунів

Синхронний двигун належить до класу електричних машин

змінного струму, має статор із багатополюсною трифазною

обмоткою, але відрізняється від двигунів асинхронних наявністю

якоря з обмоткою збудження, яка розраховна на протікання

постійного струму. Робочий режим цього двигуна відрізняється

постійною величиною кутової швидкості якоря у широкому діапазоні

зміни моменту опору, прикладеного до валу двигуна. Тому його

механічна характеристика ω=f(M) являє собою пряму, паралельну до

осі абсцис. Величина кутової швидкості якоря визначається

величиною частоти напруги мережі живлення.

Процес пуску двигуна потребує виконання додаткових

операцій, зокрема, розганяється такий двигун, як правило, в режимі

Природна механічна характеристика

0 Мк

ω

б

Рисунок 1.20 – Механічні характеристики асинхронного двигуна з фазним

ротором при регулюванні кутової швидкості схемою асинхронного машино-

вентильного каскаду (а) і асинхронного вентильного каскаду (б)

а

Мmax

M

M

ω Природна механічна характеристика

ЕЯК1 ЕЯК2 > ЕЯК1

ЕЯК3 > ЕЯК2

38

асинхронного пуску, коли обмотка збудження якоря залишається

підключеною на пусковий резистор RП. При досягненні двигуном

кутової швидкості, що дорівнює 0,95 від синхронної (точка 2),

обмотку збудження якоря відключають від пускового резистора і

підключають до джерела постійного струму з метою введення

двигуна до стану синхронізму (точка 8 на рис. 1.21).

Важливим параметром синхронного двигуна є його кутова

характеристика М=f(Θ), де Θ – внутрішній кут зсуву вектора напруги

статора U1 відносно вектора ЕРС Е, індуктованої в обмотці статора

магнітним полем ротора [1,3]. Рівняння кутової характеристики має

бути знайдене з аналізу векторної діаграми синхронної машини (рис.

1.22). Відповідно до цієї діаграми,

U1 cos φ = E cos (φ-Θ) ,

cos (φ-Θ) = AB/AC = U1 sin Θ / I1XC

тоді

ω

ω0

0 М

а б

Рисунок 1.21 – Механічна характеристика (а) синхронного двигуна в

процесі асинхронного пуску з подальшим введенням у стан синхронізму

і схема управління (б) асинхронним пуском синхронного двигуна

Мережа

КМ1

RП

М1

+ _

39

U1 cos φ = Е U1 sin Θ / I1XC (1.42)

Враховуючи на це, електромагнітна потужність синхронного

двигуна дорівнює потужності, що підводиться, її значення з

урахуванням (1.42) може бути визначене у такий спосіб:

P= 3 U1 I cos φ = 3EIКЗ sin Θ, (1.43)

де IКЗ = U1 /XC - струм короткого замикання.

Тоді електромагнітний момент машини визначатиметься з

виразу:

М = Р/ω0 = 3EIКЗ sin Θ/ ω0, (1.44)

Таким чином, обертовий момент синхронного двигуна виникає

за умови: Θ 0, його максимальне значення має місце при Θ = 900.

Підвищення навантаження призводить до збільшення кута Θ. За

умови Θ > 900 порушується умова стійкої роботи двигуна, що

обумовлене зменшенням його електромагнітного моменту і

ймовірністю випадіння двигуна із синхронізму.

Рисунок 1.22 – Спрощена векторна діаграма (а) синхронного двигуна (без

урахування втрат в активному опорі статора) і кутова характеристика (б)

синхронного двигуна

M max

M

0 900 180

0 Θ,

0

Θ

ψ φ

ψ

U1

-E

I

0

I1XC

A

C

B

Робоча частина

Не стійкий стан

40

1.9 Способи гальмування електродвигунів

Незважаючи на суттєві відмінності конструкції і принципу дії

двигунів постійного та змінного струмів, фізичні процеси при

створенні режимів їхнього гальмування мають декілька принципових

аналогій між собою. Початковим станом будь-якого процесу

гальмування є рушійний режим роботи двигуна. Ознакою гальмового

процесу є формування двигуном електромагнітного моменту, напрям

якого є зворотним щодо напряму кутової швидкості вала двигуна.

1.9.1 Генераторне гальмування двигунів

Умовою переходу двигуна з рушійного стану до режиму

генераторного гальмування є збільшення під дією зовнішньої сили

кутової швидкості вала двигуна до величини, що перевищує

швидкість неробочого ходу (двигуни постійного струму послідовного

збудження не можуть знаходитись у стані неробочого ходу, тому

режим генераторного гальмування для них є не досяжним). Процес

переходу двигунів постійного струму і асинхронних у режим

генераторного гальмування ілюструється механічними

характеристиками (рис. 1.23) і пояснюється наступним.

Генераторне гальмування асинхронного двигуна

Генераторне гальмування двигуна постійного струму

Рушійний режим

Рушійний режим

S<0 S>0

S=0

M M 0

0

ω

ω

U>Eяк

U<Eяк U=Eяк

а б

Рисунок 1.23 – Механічні характеристики двигуна постійного струму

незалежного збудження (а) і асинхронного двигуна (б) в процесі переходу з

рушійного режиму в режим генераторного гальмування

Іяк

41

Перед початком генераторного гальмування двигун постійного

струму є підключений до джерела постійного струму і розвиває

кутову швидкість ω, що є меншою за швидкість неробочого ходу.

Його ЕРС якоря Еяк є пропорційною кутовій швидкості і меншою, ніж

величина напруги U джерела живлення (постійного струму):

Еяк = сФω ; (1.45)

де с – конструктивний коефіцієнт, Ф – магнітний потік двигуна

(постійний при незмінній величині струму обмотки збудження).

За умови підвищення кутової швидкості якоря двигуна до

величини, більшої за швидкість неробочого ходу, ЕРС якоря,

відповідно, підвищується і стає більшою, ніж напруга джерела

живлення. Двигун перетворюється на машину, що генерує енергію

постійного струму в живлячу мережу, а струм якоря двигуна змінює

свій напрям. У формулі електромеханічної характеристики двигуна

слід ураховувати цей струм із зворотним (-) знаком:

сФ

R

сФ

U І як , (1.46)

де ΣR – сукупність активних опорів елементів, що входять до складу

ланки якоря двигуна.

Графічною інтерпретацією цього стану є продовження

механічної характеристики двигуна у другий квадрант (рис. 1.23, а).

За аналогією вищевикладеному, в режим генераторного

гальмування переходить асинхронній двигун, підключений до

електромережі в разі підвищення (під дією зовнішньої сили) кутової

швидкості ω ротора до величини, що є більшою за швидкість

неробочого ходу ω0. За умови, коли ω > ω0, ковзання s ротора

асинхронного двигуна стає меншим за нуль:

s = (ω0 – ω)/ ω0; (1.47)

Це необхідно враховувати в формулі механічної характеристики

двигуна. Графічна інтерпретація цього стану наведена на рис. 1.23, б і

полягає у продовженні механічної характеристики асинхронного

двигуна із першого квадранту (рушійний стан) у другий квадрант.

42

1.9.2 Гальмування двигунів противключенням

Гальмування двигуна противключенням може бути застосоване

як для термінової зупинки приводу у випадку виникнення небезпеки

аварії, так і у якості робочого гальмування приводу. Ознакою цього

режиму є те, що у момент зменшення кутової швидкості двигуна до

нуля цей двигун необхідно відключати від мережі живлення, оскільки

в іншому випадку відбудеться розгін цього ж двигуна у зворотному

напрямку. Цей режим гальмування може бути реалізований як для

двигунів постійного струму, так я для асинхронних машин шляхом

реверса двигуна, який знаходиться у рушійному стані (рис.1.24).

В цьому випадку двигун переходитиме з характеристики 1

рушійного стану (рис.1.25) на продовження характеристики, що

відповідає руху двигуна у зворотному напрямі (характеристика 2 у 2-

му квадранті). З метою зменшення динамічних і струмових

перевантажень двигуна постійного струму є доцільним в одночас із

його реверсом вводити опір в ланцюг якоря, створюючи умови

переходу його з характеристики 1 на характеристику 3 (з робочої

точки «А» у точку «В»). У подальшому буде відбуватись зменшення

кутової швидкості двигуна (перехід з точки «В» у точку «С» нульової

швидкості). В разі невідключення двигуна від мережі у подальшому

+ _

КМ

М

КМ1

КМ2

М

а

б

Рисунок 124 - Силові схеми реверсування двигуна постійного струму (а)

і асинхронного двигуна (б)

трифазна мережа

ОЗ

43

відбудеться його розгін у зворотному напрямі відповідно до схеми

підключення - по характеристиці 2, або 3.

Існує інший спосіб створення режиму гальмування

противключенням, який розповсюджується на двигуни постійного

струму і на асинхронні двигуни з фазним ротором за умови, що

момент опору, що прикладений до валу двигуна, є рухомим.

Реалізація цього способу полягає в підключенні у силову схему

двигуна (якір двигуна постійного струму, або ротор асинхронного

двигуна) завеликого активного опору. В результаті, має змінитися

механічна характеристика двигуна з природної (1) на штучну (2),

відповідно до рис. 1.26. Це обумовить перехід двигуна з робочої

точки «А» характеристики 1 у точку «В» характеристики 2. Однак, в

цій точці двигун розвиватиме електромагнітний момент, менший,

аніж момент опору (Моп) і, у відповідності із основним рівнянням

електроприводу розпочнеться зменшення кутової швидкості двигуна.

У точці «С» характеристики 2 кутова швидкість двигуна дорівнює

нулю, але момент, який він розвиває залишається меншим момента

опору. Отже, в разі, якщо в цій точці двигун не буде відключений від

В

0

0

Гальмування противключенням асинхронного двигуна

Рушійний режим

Рушійний режим

В

А

С M M

ω

1

а б

Рисунок 1.25 – Механічні характеристики двигуна постійного струму (а) і

асинхронного двигуна (б) в процесі переходу з рушійного режиму в режим

гальмування противключенням (реверс двигуна, що знаходиться у

рушійному стані)

Іяк

А

1

3

2

Гальмування противключенням двигуна постійного струму

ω

2

С

44

мережі живлення, а момент опору буде активним (рушійним), надалі

розпочнеться рух вала

двигуна під дією

моменту опору у

зворотному напрямі,

доки не буде

досягнута точка «D»

механічної

характеристики 2. В

цій точці поновиться

стійкий стан роботи

двигуна, оскільки

момент опору буде

дорівнювати його

електромагнітному

моменту. Таким

чином, розглянутий

процес має всі

зовнішні ознаки,

притаманні режиму

гальмування двигуна

противключенням.

1.9.3 Динамічне гальмування двигунів

Динамічне гальмування двигунів є найрозповсюдженішим

режимом гальмування, що застосовується для управління процесом

зупинення електроприводів. Стосовно до двигунів постійного струму

цей режим створюється відключенням якоря двигуна від джерела

постійного струму і підключення до цього якоря гальмового

резистора Rг (рис. 1.27, а). Оскільки перед початком гальмування

двигун знаходився у рушійному стані, його ЕРС якоря Еяк мала

потенціал відповідно до кутової швидкостя якоря. Саме вона при

підключенні до якоря гальмового резистора створює в якорі

гальмовий струм Іг, спрямований у зворотному напрямі, у порівнянні

із напрямом струму попереднього (рушійного режиму) Іяк.

Іг = Еяк / (Rяк +Rг) (1.48)

А

D

0

В

А

С

Mоп М

ω 1

б

2

D

а

0

В

С

Mоп М

ω 1

2

Рисунок 1.26 – Механічні характеристики

двигуна постійного струму (а) і асинхронного

двигуна (б) в процесі переходу з рушійного

режиму в режим гальмування противключен-

ням (спосіб введення додаткового активного

опору в ланцюг якоря (двигун постійного

струму), або ротора (асинхронний двигун)

45

Механічна характеристика двигуна постійного струму в

режимі динамічного гальмування (рис. 1.28, а) визначатиметься з

виразу:

ω = Іг (Rяк +Rг) / сФ (1.49)

Для переключення асинхронного двигуна з рушійного стану в

режим динамічного гальмування слід відключити його статор від

трифазної мережі електроживлення і підключити дві фази до джерела

постійного струму (наприклад, до виходу керованого випрямляча

КВ). В цьому разі постійний струм створює нерухоме магнітне поле,

основна хвиля якого дає синусоїдальний розподіл індукції. В роторі,

що обертається, виникає змінний струм, який створює магнітне поле,

що є теж нерухомим відносно статора. У результаті взаємодії

сумарного магнітного потоку із струмом ротора виникає гальмовий

момент, який є функцією магнітно-рушійної сили статора, опору

ротора і кутової швидкості двигуна [3]. Критичний гальмовий момент

Мкг є пропорціним квадрату еквівалентного гальмового струму Іекв

двигуна:

,)(2

3'

20

22

хх

хІМкг

екв

(1.50)

Рисунок 1.27 - Силові схеми переключення

двигунів у режим динамічного гальмування:

а - двигун постійного струму; б - асинхронний двигун

КМ

а

Rг Іг

+ _

М

Іяк Еяк

КМ1

КМ2

М

б

трифазна мережа

+

_

КВ

ОЗ

46

де ω0 - синхронна частота обертання ротора АД; Хμ = Е’20/Іμ -

реактивність намагнічування; Х’2 - приведений індуктивний опір

ротора АД.; Е’20 – приведена вторинна ЕРС при синхронній кутовій

швидкості ротора; Іμ – намагнічующий струм.

1.9.4 Принцип індукційно-динамічного гальмування асинхронного

двигуна

Ефективність процесу динамічного гальмування асинхронного

двигуна значною мірою визначається величиною постійного

(випрямленого) струму у фазах його статора. З іншого боку, величина

цього струму обумовлюється напругою, що підведена до статора

величиною ЕРС обертання, що індуктується в обмотках статора

обертовим полем струмів ротора. В разі, якщо ЕРС обертання за

своєю полярністю співпадатиме з полярністю підведеної напруги, її

дія буде спрямована на зменшення величини струму гальмування. Це

визначатиметься різністю потенціалів миттєвих значень підведеної

напруги і ЕРС обертання і призводитиме до зменшення інтенсивності

гальмування двигуна. Таким чином, ефективне динамічне

гальмування асинхронного двигуна може відбуватися за умови

відсутності у його статорних обмотках зворотної ЕРС обертання.

Рисунок 1.28 – Механічні характеристики двигуна постійного

струму (а) і асинхронного двигуна (б) в процесі переходу з

рушійного режиму в режим динамічного гальмування:

1 – природні механічні характеристики рушійного стану; 2-4 –

характеристики динамічного гальмування асинхронного двигуна

2 - додатковий опір ротора rr1 ; гальмовий струм Iг1

3 - додатковий опір ротора rr2 > rr1; гальмовий струм Iг1

4 - додатковий опір ротора rr1 ; гальмовий струм Iг2 > Iг1

В

0

А

М

1

2

ω

3

4

В

А

0

М

ω 1

Іг ;Іяк;

47

Ефективність способу індукційно-динамічного гальмування

асинхронного двигуна полягає в усуненні зазначеної ЕРС обертання

(на початку гальмового процесу), яке супроводжується створенням

значних за амплітудою імпульсів гальмового струму. У гірничій

промисловості режим індукційно-динамічного гальмування

використовується для повільної зупинки електроприводів

бремсбергових стрічкових конвеєрів, екстреної зупинки

електроприводів деяких інших гірничих машин.

Процес індукційно-динамічного гальмування створюється

силовою тиристорною схемою в ланцюзі статора асинхронного

двигуна відповідно до рис. 1.29 і передбачає чергування станів

динамічного (ДГ), індукційного (ІГ) та, власне, індукційно-

динамічного (ІДГ) гальмування двигуна [8].

Струм динамічного гальмування створюється за допомогою

подачі на статор через тиристори VS1 і VS2 півхвиль лінійної напруги

UАВ мережі. Ефект індукційного гальмування створюється при

замиканні через тиристор VS3 ЕРС обертання (eоб) ротора АД:

iiLiiLe rkkrrskksbобp

110223/1 , (1.51)

де p – число пар полюсів асинхронного двигуна; Is; ir – струми

статора і ротора; L0 – індуктивність головного магнітного поля в

розрахунку на фазу асинхронного двигуна.

Рисунок 1.29 – Розрахункова схема щодо аналізу дослідження процесу

індукційно-динамічного гальмування асинхронного двигуна

48

Процес індукційно-динамічного гальмування ілюструється

діаграмами відповідних параметрів асинхронного двигуна і живлячої

мережі (рис. 1.30).

На інтервалах динамічного гальмування полярності uAB і eоб

збігаються. При цьому uAB >eоб. Початок ДГ визначається кутом

відпирання α тиристорів VS1 і VS2, а закінчення - кутом їхньої

провідності β. Гальмовий струм i визначається відмінністю між

миттєвими значеннями uAB і eоб.

eudtdiLri ABобABTHHT )(/ ; (1.52)

де rн; Lн – загальні активний опір та індуктивність ланцюга

протікання гальмового струму.

На інтервалі ІГ тиристор VS3 знаходиться у провідному стані, у

той час, як, тиристори VS1 і VS – у не провідному. Величина

гальмового струму iГ визначається миттєвими значеннями ЕРС

обертання двигуна (eоб).

edtdiLri ABобTHHT )(/ ; (1.53)

На кожному з інтервалів ДГ та ІГ величина ЕРС обертання

визначається відповідними її амплітудою (Еоб mi) та початковою

фазою ( ):

ssrIE rrоб/1

'' ; (1.54)

tbiобmiобi Ee sin , (1.55)

де sbi 10 - кутова частота ЕРС обертання, що відповідає i-му

інтервалу гальмування, зменшується, остаточно, до нуля.

У міру зменшення кутової швидкості асинхронного двигуна

зменшуються амплітуда та частота його ЕРС обертання, і настає стан,

коли полярності uAB і eоб будуть відмінними одна від одної. В цьому

разі тиристори VS1; VS2; VS3 перебуватимуть у відкритому стані, а

гальмовий струм двигуна iГ визначатиметься сумою абсолютних

виличин миттєвих значень uAB і eоб (інтервал ІДГ):

eudtdiLri ABобABTHHT )(/ . (1.56)

49

Вирази (1.52; 1.53; 1.56) вирішуються поетапно у порядку появи

інтерваалів з характерними, розглянутими вище станами гальування.

При цьому враховуються відповідні початкови умови, величина і

частота ЕРС обертання асинхронного двигуна. Їхнім рішенням є

наступний вираз:

t

t

dtTtuCTtt

K

п

HH et

Lei HT

///)( ; (1.57)

де tп; tк – моменти початку та закінчення відповідного гальмового

інтервалу, С=u(tн)/zн ; ТН - постійна часу обмоток ротора двигуна

(Тн= Lн/rн)

При відсутності струму через VS1 і VS2 струм у тиристорі VSЗ

визначається величиною ЕРС самоіндукції асинхронного двигуна:

,)()( /Tнt

піTГ etiti (1.58)

де tпі - момент початку зазначеного вище і-го стану;

Гальмовий струм істотно залежить від величини кутів α

відпирання тиристорів VS1; VS2. Його величина визначає рівень

Рисунок 1.30 – Діаграми формування струму статора асинхронного

двигуна в процесі його індукційно-динамічного гальмування

Im ДГmax

Im ДГвст

Im ІГmax

Im ДГ

Im ІГ

іГ

UmAB

t еоб

u

α

0,02c uAB; eоб ; iГ

u

0

50

гальмового моменту (Мг), що впливає на інтенсивність гальмування

двигуна:

,2

0

1

2

2

поч

Г

S

riМг

(1.59)

де ω0 і Sпоч – відповідно, синхронна частота обертання ротора

асинхронного двигуна та його ковзання на початку ІДГ.

eii Tt Н

ГпочГ

t / ; (1.60)

де iГ поч– початкова величина гальмового струму відповідного

інтервалу.

По закінченні гасіння зворотної ЕРС обератння асинхронного

двигуна його гальмовий струм буде визначатися тільки провідним

станом тиристорів VS1; VS2 з урахуванням кута α їх фазового

регулювання.

Технічна реалізація розглянутого принципу застосована в

апараті управління гальмуванням електропривода гірничої машини

АТЭМ (рис. 1.31) [9]. В апараті передбачені фіксовані уставки

терміну гальмування електропривода скребкового конвеєра: 0,15 с;

0,5 с; 0,8с; електропривода стрічкового конвейера: 16 с; 32 с.; 64 с. В

процесі роботи команда на гальмування асинхронного двигуна

електропривода формується при відключенні основного контактора

КМ1. У цьому випадку схема апарата реалізує наступний алгоритм:

- ввімкнення контактора КМ2 ланцюга гальмування;

- визначення відсутності струму в силовому ланцюзі контактора

КМ1 (задіяні датчики струму ТА1 і ТА2, блок реле БР1);

- формування затримки часу на початок гальмування і подальше

відпирання тиристорів VS1 і VS2 із заданими величинами фазових

кутів α відпирання.

Затримка часу на початок процесу індукційно-динамічного

гальмування необхідна для виключення умов створення короткого

замикання в разі ввімкнення тиристора VS2 при наявності струму в

мережі контактора КМ1. Функція створення фазових кутів α

відпирання тиристорів VS1 і VS2 виконується спільною роботою блока

синхронізації (БС) схеми фазового управління з фазними напругами

мережі та блоків управління БУ1 і БУ2. Формування імпульсів, що

безпосередньо надходять на ланцюги управління тиристорів

виконується блоками формування імпульсів (БФІ1 та БФІ2). Ці ж

51

блоки реалізують функцію гальванічної розв’язки силових ланцюгів

електроживлення приводного двигуна і ланцюгів блоків управління.

Режим індукційно-динамічного гальмування асинхронного

двигуна реалізується також схемою апарата АПМ-1 (рис. 1.32) при

управлінні зменшенням швидкості робочого органу привода

стрічкового

бремсбергового

конвеєра перед

накладанням

механічних гальм [10].

Гальмування

розпочинається із

відключення всіх

тиристорів регулятора

напруги ТРН і у

подальшому,

забезпечується

провідним станом

тиристорів VS2; VS32;

VS7, при чому, останній

вмикається за умови

відсутності струму в

тиристорах VS1 і VS4.

Рисунок 1.31 – Структурна схема апарата АТЭМ

Рисунок 1.32 – Силова схема аппарата АПМ-1:

ТРН – тиристорний регулятор напруги;

КМ1 – шунтуючий контактор

КМ1

ТРН

VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6

VS7

Вихід

Вхід

52

1.10 Принципи побудови систем управління електроприводами

Для управління швидкісними режимами електроприводів

застосовують як розімкнуті, так і замкнуті системи автоматичного

управління (САУ). Розімкнуті САУ реалізують наперед заданий

алгоритм впливу на об’єкт регулювання без урахування його

параметрів (стану) на момент формування керуючого впливу.

Прикладом такої САУ є засіб автоматичного управління пуском

асинхронного двигуна з фазним ротором шляхом переключення

роторних резисторів у функції терміну розгону відповідно до схеми

(рис.1.16) .

Переключення груп роторних резисторів відбувається у наперед

встановлені терміни часу шляхом поступового ввімкнення

ПМХ

0

ω 0

ω

МН М2 М1 МК

М

1

2

3

а b

e

f

а

c

d

ω3

М1

М2

М

0 t1 t2 t3 t

ω1

ω2

ωH

ω=f(t)

Μ=f(t)

б Рисунок 1.33 – Механічні характеристики асинхронного двигуна (а) і

діаграми зміни його моменту та кутової швидкості у часі (б) при

реостатному пуску

ω1

53

контакторів у порядку КМ1 – КМ2 – КМ3, які виводять з роботи

групи додаткових роторних резисторів, відповідно, Rдод1 - Rдод2 - Rдод3.

Траекторія зміни величини кутової швидкості ротора двигуна і

його електромагнітного моменту (рис. 1.33) являє собою експоненту з

постійною часу, яка визначається параметрами приводу, включаючи

величину роторного опору:

eT Mi

t

ʳ³ÏÎ×ʳ

_; (1.61)

eMMMM T Msi

t

КіКі

1

; (1.62)

ТМі = Jω0sНі, (1.63)

де ωКі; МКі – відповідно, кінцеві значення кутової швидкості і

моменту двигуна при його роботі на відповідній і-й механічній

характеристиці в точці номінального моменту навантаження (МН);

ωПОЧі – початкове значення кутової швидкості двигуна при його

роботі на і-й механічній характеристиці в точці моменту

переключення М1; sНі – ковзання двигуна при номінальному моменті

навантаження і роботі на відповідній і-й механічній характеристиці;

J- момент інерції привода.

Враховуючи залежності (1.61) – (1.63), розрахункові інтервали

часу tPi роботи двигуна на штучних механічних характеристиках

визначаються відповідно до залежності:

)(ln

_

_

іІПОЧRs

iПОЧKi

MiРі Tt

; (1.64)

де Δωі – прирощення швидкості при роботі двигуна на і-й

штучній механічній характеристиці, на інтервалі переходу від

моменту М1 до моменту М2.

Незважаючи на простоту реалізації, цей спосіб має певні

недоліки, які виражені в унеможливленні стабілізації діаграми

фактичної кутової швидкості двигуна при нестійкому моменті опру.

Так, при збільшеному моменті опору (у порівнянні з розрахунковим)

процес розгону буде уповільнений, і двигун не встигатиме за

54

розрахунковий термін tPi підвищувати кутову швидкість на

розрахункову величину Δωi. В разі, якщо до валу двигуна буде

прикладений момент опору, (МОП) менший за розрахунковий, то

двигун за розрахунковий термін часу tPi встигне збільшити кутову

швидкість більш, ніж на розрахункову величину Δωi і, навіть досягти

точки стійкої рівноваги, де момент двигуна, що відповідає і-й

штучній механічній характеристиці, буде урівноважений моментом

опору.

Стабілізація діаграми фактичної кутової швидкості двигуна при

нестійкому моменті опру може бути досягнута шляхом застосування

замкнених систем автоматичного управління (САУ) приводом. На

рис.1.34 наведена функціональна схема найпростішої –

одноконтурної САУ, яка належить до стежачих систем з

пропорційним управлінням і, як правило, застосовується для

забезпечення керованого розгону електропривода із дотриманням

відповідності його фактичної швидкості заданій в умовах коливань

моменту опору, у сервоприводах переміщення виконавчого органу у

відповідності до діаграми зміни керуючого сигналу і т.п.

Структура САУ стежачим електроприводом складена із

з’єднаних послідовно вузла порівняння (ВП), узгоджувально-

підсилювального вузла (УПВ), регулятора (Р), і двигуна (Д).

Розглянемо приклад, де параметром керування є фактичне кутове

переміщення Θф вала робочого органу приводу (наприклад, мотор-

редуктора), величина якого вимірюється відповідним датчиком

параметра керування (ДПК). Вихідною величиною цього датчика є

пропорційна напруга Uф = k1 Θф , яка порівнюється у ВП з напругою,

Uз = k1Θз , пропорційною заданому параметру переміщення. Вихідна

напруга ВП Uу = k1ΔΘ є пропорційною величині розузгодження ΔΘ

УПВ Р

ДПК

Д

ВП Uз =k1ωз

Uф = k1ωф

Uу = k1Δω ωф

_

Рисунок 1.34 – Функціональна схема електроприводу з одноконтурною,

замкненою за параметром регулювання (ωф) системою автоматичного

управління

55

між заданою та фактичною величинами переміщення (Θз і Θф), де k1 –

коефіцієнт пропорційності.

Передаточний коефіцієнт всієї електромеханічної системи являє

собою добуток декількох коефіцієнтів: пропорційності k1 підсилення

kП (УПВ) і передаточних коефіцієнтів: двигуна kД та регулятора kР.

k = k1 kП kД kР ; (1.65)

Коефіцієнт демпфування F системи визначається сукупністю

параметрів жорсткості β механічної характеристики двигуна

(відношенням діапазону коливання електромагнітного моменту

двигуна, до відповідного діапазону коливання його кутової

швидкості) і коефіцієнта тертя (f) [1].

F= β +f; (1.66)

Постійна часу електромеханічної системи обумовлена

величиною моменту інерції J приводу і визначається виразом:

Т = 2J/ F; (1.67)

З урахуванням (1.65 – 1.67), величина розузгодження ΔΘ

фактичного Θф і заданого Θз параметрів управління визначається із

виразу [1]:

)sin(222

2 2)1()(

qtkTqeT

kF

T

F

kqk

FT

tз

з ; (1.68)

2)2

(J

F

J

kq ; (1.69)

kTF

qTFtg

, (1.70)

де Ωз = dΘз /dt – швидкість зміни заданого параметру регулювання

(заданої швидкості приводу).

З аналізу (1.68) можна зробити висновок, що при миттєвому

виникненні сигналу завдання (Θз) параметру регулювання (який

змінюється за швидкістю Ωз), величина фактичного параметру (Θф)

56

розпочне змінюватись за відповідною траєкторією руху з певними

коливаннями, що

зменшуються за

амплітудою з постійною

часу приводу (Т). У

подальшому робочий

орган привода буде

рухатися зі швидкістю, що

визначається параметром

завдання Θ з = f(t) при

розузгодженні ΔΘ:

зk

F. (1.71)

Амплітуда розузгодження

ΔΘ оцінюється

коефіцієнтом заспокоєння

λ стежачої системи:

kJ

F

2 , (1.72)

При виконанні керованого пуску електроприводу із

дотриманням заданої діаграми зміни швидкості двигуна подібна

одноконтурна система автоматичного управління здійснює керуючу

функцію щодо двигуна у залежності від величини і знаку

розузгодження фактичної і заданої кутової швидкості. В цьому разі є

можливим виконання стрибкоподібних впливів на об’єкт управління

за відхиленням його фактичної кутової швидкості від заданої як у

менший, так і у більший бік. Точність дотримання заданого графіка

швидкості значною мірою забезпечується за рахунок мінімізації

постійних швидкості датчика параметра керування (у даному випадку

– датчика швидкості), узгоджувально-підсилювального вузла та

регулятора.

Цей принцип може бути реалізований електроприводом із

асинхронним двигуном при використанні тиристорного регулятора

напруги (схема на тиристорах VS1-VS6, рис. 1.32) в ланцюзі його

статора і характеризується сукупністю механічних характеристик

(рис. 1.17). Система автоматичного управління, замкнена за

0 t

Θ з; Θф

Θ з = f(t)

Θф = f(t)

ΔΘ

Рисунок 1.35 – Графік процесу

управління переміщенням робочого

органу стежачого електроприводу при

застосуванні одноконтурної САУ

57

параметром швидкості привода, здатна підтримувати фактичну

швидкість двигуна на заданому рівні в діапазоні від нуля до

номінальної шляхом корекції управляючого впливу на двигун у

функції відхилення фактичної швидкості від заданої. Однак, при

роботі на кутових швидкостях, менших за номінальну, двигун

споживає завеликий струм (1.21), що може перевищувати номінальну

величину у декілька разів (рис. 1.12). Тому цей принцип управління

застосовують виключно для реалізації уповільненого пуску

асинхронного двигуна за умови виконання заданої діаграми

швидкості, з подальшим контакторним шунтуванням (контактор

КМ1, рис. 1.32) фаз тиристорного регулятора напруги. Перевагою

схемотехніки реалізації цього принципу є спрощена схема

перетворювача (ТРН виконаний на 6-и силових тиристорах), що

суттєво спрощує задачу забезпечення прийнятного теплового режиму

перетворювача при розміщенні його у вибухозахищеній рудниковій

оболонці.

Покращеними функціональними властивостями володіє

багатоконтурна система підпорядкованого автоматичного управління

електроприводом. Така система вміщує певну кількість контурів

відповідно до кількості регулюємих змінних. На вході кожного

контуру виконується порівняння заданого сигналу із фактичним

значенням вихідної координати даного контуру. Вихідний параметр

відповідного регулятора є завданням для наступного (внутрішнього)

контура. Таким чином, усі внутрішні контури функціонують як

підпорядковані загальній задачі регулювання вихідної величини

системи.

Узагальнена структурна схема системи підпорядкованого

управління (рис. 1.36) передбачає, що кожен контур системи

регулювання може бути представлений двома ланками: регулятором

Wpег2 та об’єктом регулювання W’об .

Безпосередньо, об’єкт регулювання вміщує в себе вихідну ланку

даного контура, тобто, власне, об’єкт Wоб2 і замкнений контур

регулювання Wз1, внутрішній по відношенню до контура, що

розглядається.

Розрахунок системи підпорядкованого управління полягає у

виборі типів регуляторів та визначенні їхніх параметрів і виконується

послідовною оптимізацією окремих контурів, починаючи з

внутрішнього. Оптимізація замкненого контуру вважається

досягнутою, якщо перехідний процес регулюємої величини при

58

стрибкоподібному впливі не залежить від параметрів об’єкта

управління і ланки зворотного звязку. Це має бути досягнуте в разі,

якщо регулятор контуру матиме передаточну функцію, зворотну

щодо передаточної функції об’єкта і ланцюга зворотного звязку [11].

Під час розрахунку системи підпорядкованого управління

некомпенсуємі постійні часу вводять до самого внутрішнього

контура регулювання. Тоді, в разі, якщо об’єктом регулювання

внутрішнього контура є аперіодична ланка, передаточна функція

об’єкта внутрішнього оптимізуємого контуру визначатиметься

виразом:

Wоб 1 (р) = Wоб к (р) / (Тμр+1); (1.70)

де Wоб к (р) - передаточна функція ланки, дія якої компенсується

регулятором даного контура; Тμ- еквівалентна мала постійна часу, що

не компенсується регулятором.

Передточна функція регулятора:

Wрег1 (р) = 1 / (Wоб к (р) а1Тμр); (1.71)

де а1 – коефіцієнт налаштовування першого контура, що

визначає ступінь його демпфування.

У відповідності до (1.70) та (1.71), передаточні функції

розімкненого та замкненого оптимізованого контурів визначаються

виразами:

Wpег2 Wоб2

Wоб1 Wpег1

Хз2 Хз1 Х 1 Х2

Wз1

_ _

Рисунок 1.36 – Узагальнена структурна схема системи підпорядкованого

управління

W’об2

59

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)

У подальшому, при оптимізації зовнішнього контура

визначається передаточна функція його об’єкта регулювання. Вона

відповідає послідовно з’єднаним замкненому внутрішньому контуру

та, власне, об’єкту управління зовнішнього контура:

W’об2(р) = Wз1(р) Wоб2(р). (1.74)

В даному об’єкті компенсації підлягає постійна часу, власне,

об’єкта управління Wоб2(р), а передаточна функція, інерційність якої

не компенсується, дорівнюватиме передаточній функції

оптимізованого внутрішнього замкненого контуру Wз1(р) без

урахування доданку при р2 у знаменнику (1.73).

Регулятор для об’єкта за (1.74) визначається аналогічно

внутрішньому контуру у відповідності до виразу (1.71):

Wрег2 (р) = 1/(Wоб2(р) а1 а2Тμр), (1.75).

Передаточні функції розімкненого та замкненого зовнішніх

контурів, відповідно, дорівнюють:

Wроз2 (р) = Wрег2 (р) W’об 2 (р) = 1/ (а1 а2Тμр(а1Тμр(Тμр+1)+1)), (1.76)

Wз2(р)= Х2(р)/Хз2(р) = Wроз2(р)/(1+Wроз2(р)). (1.77).

Змінюючи у виразах (1.73) та (1.77) коефіцієнти

налаштовування контурів а1 і а2, можна отримати різноманітні

перехідні процеси, у тому числі, нестійкі (коливальні). Практичну

актуальність представляє отримання технічно оптимального

перехідного процесу, який характеризується певною тривалістю

регулювання, якщо перерегулювання не перевищує 4 10%.

Прикладом технічної реалізації системи підпорядкованого

управління є електропривод постійного струму системи

„тиристорний регулятор – двигун” (керований випрямляч – двигун) з

автоматичною системою підтримання заданого параметру швидкості,

60

побудованою з двох контурів – зовнішнього контуру швидкості і

внутрішнього контуру струму (рис. 1.37).

В ланцюзі якоря двигуна М1 передбачені керовані випрямлячі

(КВ1 і КВ2) для забезпечення руху якоря двигуна в прямому і

зворотному напрямі. Вихідна напруга цих випрямлячів регулюється у

ЗІШ

РС

СІФУ1

СІФУ2

ДС

КВ1

КВ2

РШ

Електрична мережа

TV1

R1

R2

R3

R4

R5

R6

C1

VD1 VD2

BR

M1

Uз

ОЗ

Рисунок 1.37 – Схема системи підпорядкованого управління

електроприводом постійного струму „тиристорний перетворювач –

двигун” (керований випрямляч – двигун)

+

+

_

_

61

повному діапазоні відповідними системами імпульсно-фазового

управління (СІФУ1 і СІФУ2) за командами з виходу регулятора

струму (РС). Параметр заданого струму визначається вихідним

параметром регулятора швидкості (РШ), на який подається сигнал

управління з виходу задатчика інтенсивності швидкості (ЗІШ).

Звортний зв’язок за струмом знімається з виходу блока датчиків

струму (ДС), що передбачені у вхідному силовому ланцюзі змінного

струму випрямлячів. У цьому разі можуть бути використані

трансформатори струму у якості датчиків, що полегшує гальванічну

розв’язку системи управління і силового ланцюга електроприводу.

Функціональний блок ДС може бути ввімкнений безпосередньо у

ланцюг якоря двигуна М1. Однак, у цьому разі матиме місце

визначення величини постійного струму якоря, тобто, застосування

трансформаторів струму у складі ДС унеможливлюється. Тому

величина струму якоря має вимірюватися шунтом, що створює

труднощі у подальшому використанні замалого аналогового

вихідного сигналу шунта з урахуванням необхідності його

гальванічної розв’язки від напруги силового ланцюга двигуна М1.

Цей зворотний зв’язок за струмом надходить до входу

регулятора струму РС. У якості датчика швидкості може

використовуватись, зокрема, тахогенератор (BR), вихідний сигнал

якого порівнюється із напругою, що є пропорційною до заданого

значення швидкості на вході регулятора швидкості (РШ). Обмеження

струму якоря здійснюється стабілітронами VD1; VD2 у ланці

зворотного зв’язку РШ.

Відповідно до конфігурації схеми, регулятор струму виконаний

як пропорційно-інтегральний (ПІ-регулятор). Його передаточна

функція визначатиметься виразом:

Wрс(р)= RЯ(TЯ p+1) / (aС Тμр k1k2). (1.85)

Технічним рішенням щодо реалізації ПІ-регулятора може бути

операційний підсилювач із ємнісним зворотним зв’язком (відповідно

до схеми, рис.1.37):

Wрс(р)= (1+C1R2p)/ (C1R5p), (1.86)

Параметри регулятора струму визначають із співвідношень:

62

ТРС = C1R2 ; (1.87)

ТІР = C1R5 = aС Тμ k1k2 / RЯ ; (1.88)

k1 = R5/R1 (1.89)

де ТРС - постійна часу РС; ТІР - постійна часу інтегруючого

регулятора; k1 - передаточний коефіцієнт ДС з урахуванням

коефіцієнту підсилення його вихідного сигналу (в разі необхідності

такого підсилення); k2 - коефіцієнт підсилення тиристорного

перетворювача (керованого випрямляча). RЯ – опір якоря двигуна М1;

aС - параметр налаштовування контуру струму.

З урахуванням виразів (1.88) і (1.89) може бути знайдена

величина опору R1 за умови прийняття певної величини ємності

конденсатора С1:

R1 = k1k2 aС Тμ / (RЯ C1). (1.90)

Опір R5 визначають за умови обмеження струму двигуна,

відповідним обмеженням вихідної напруги UЗС max РШ:

UЗС max = k1IЯmax, (1.91)

де IЯmax – струм максимально припустимого робочого

перевантаження двигуна М1.

Із (1.89) та (1.91) має бути знайдений опір:

R5 = R1 UЗС max / k1IЯmax . (1 92)

Регулятор швидкості (РШ) виконують за схемою пропорційного

регулятора (П-регулятора) на основі операціного підсилювача:

Wрш(р)= k1 ТM сД / (aС aш Тμ RЯ kш ) = R4/R3 (1.93)

де сД – конструктивна постійна двигуна; ТM – електромагнітна

постійна часу системи; kш – коефіцієнт зворотного зв’язку за

швидкістю.

kш = kТГ R3/R6 ; (1.94)

R3/R6 = Uзш max / kТГωз max (1.95)

63

де kТГ = (UТГ /ω) – передаточний коефіцієнт тахогенератора, UТГ –

вихідна напруга тахогенератора; ωз max – максимальне значення

заданої кутової швидкості вала двигуна М1; Uзш max - вихідна напруга

задатчика швидкості, що відповідає величині ωз max. При визначенні

параметрів П-регулятора швидкості один з параметрів в (1.93); (1.94),

як правило, задається.

В схемі, що розглядається, розузгодження фактичної і заданої

швидкості двигуна буде відпрацьоване як стрибкоподібний вихідний

сигнал РШ, відповідної амплітуди. Ця амплітуда визначатиме

швидкість зміни заданого параметру струму двигуна, що призведе до

відповідного відпрацювання тиристорним випрямлячем шляхом

зміни його вихідної напруги (напруги живлення двигуна). Цей

керуючий вплив матиме місце в функції розузгодження фактичного

струму двигуна із заданим параметром і припиняється при рівності

фактичного струму заданій величині. В разі, якщо задана швидкість

двигуна дорівнює фактичній, команда на завдання струму двигуна

дорівнюватиме нулю. Таким чином, застосування двоконтурної

системи підпорядкованого управляння із внутрішнім контуром

струму, характеризується мінімізацією споживаної енергії і

відсутністю динамічних впливів щодо об’єкту регулювання.

1.11 Засоби управління швидкісними режимами електродвигунів

1.11.1 Системи імпульсно-фазового управління

Тиристорна перетворювальна техніка займає провідне місце в

системах регулювання параметрів електроприводів. В залежності від

структури силової схеми і алгоритму управління тиристорами

маловентильні тиристорні перетворювальні пристрої можуть

виконувати функцції керованих випрямлячів, або регуляторів

напруги промислової частоти. В обох випадках, робота схеми

дозволяє змінювати вихідну напругу за величиною у повному

диапазоні, починаючи від нуля. Зміна величини напруги, що

підводиться до електродвигуна, в цьому випадку, забезпечує

регулювання швидкості якоря двигуна постійного струму, зміну

електромагнітного моменту асинхронного двигуна. Безпосереднє

регулювання параметрів тиристорного регулятора напруги або

тиристорного (керованого) випрямляча здійснюється системою

64

імпульсно фазового управління (СІФУ). Розглянемо роботу СІФУ

починаючи з аналізу умов роботи тиристора в схемі (рис. 1.38).

Умовою включення тиристора VS1 в ланцюзі, (рис. 1.38 а), є

наступне співвідношення напруг на його аноді і катоді: UA > Uк та

наявність позитивного відпираючого імпульсу на керуючому

електроді відносно катода. Умовою відключення тиристора є

співвідношення напруг UA < Uк або знеструмлення його силового

(котодно-анодного) ланцюга. За наявності синусоїдальної напруги,

доданої до силового ланцюга тиристора і відсутності імпульсу

управління тиристор VS1 буде у не провіднутому стані. Він

відкриється тільки в момент tп (рис. 1.38, б) появи імпульсу

управління і буде відкритий до моменту tк зміни полярності анодної

напруги. Таким чином, змінюючи величину фазової затримки α

подачі керуючого імпульсу, можна регулювати величину діючого

значення напруги на навантаженні:

dtuТ

Uк

n

t

t

21

(1.101)

Проміжок часу між нульовим значенням зростаючої анодної

напруги тиристора і моментом його включення (α) – є кут відпирання

тиристора. Проміжок часу, протягом якого тиристор залишається у

Анод

Катод

Керуючий електрод

UК

RH

Uуе uA

uК

ωt

tп tк

Рисунок 1.38 - Схема включення (а) та основні параметри (б) тиристора

при регулюванні напруги на навантаженні Rн.

а б

ΔТ

65

відкритому стані (β) – є кут провідності тиристора. Одиницями

виміру обох зазначених кутів є електричні градуси, або радіани.

Система імпульсно-фазового управління призначена для

формування кутів α відпирання тиристорів регулятора напруги. Дія

СІФУ пояснюється діаграмами напруг (рис. 1.39). Кожен тиристор

регулятора напруги комутує півхвилю напруги відповідної фази і

полярності. Тому імпульси управління, що надходять на тиристори,

повинні бути синхронізовані з відповідними фазними напругами

мережі. Отже, на вхід каналу СІФУ має поступати напруга UС,

синхронізована з мережевою напругою. Це дозволяє в подальшому

формувати прямокутні (UК1) та пилоподібні (UG1) імпульси на

інтервалах існування відповідних півхвиль напруги синхронізації.

Вихідні імпульси каналу СІФУформуються в результаті порівняння

пилоподібних імпульсів (UG1) з опорною напругою Uоп за умови UG1 >

Uоп. Таким чином, змінюючи величину напруги Uоп можна

переміщати в часі передній фронт імпульсів UК2. Ці імпульси можуть

бути використані в якості керуючих для відповідного тиристора

регулятора напруги.

Відповідно до

викладеного,

функціональна схема

одного каналу СІФУ

(рис. 1.40) має

містити

синхронізуючий

пристрій, два

компаратори К1 і К2,

формувач

пилоподібної

напруги G1. На

виході компаратора

К2 передбачений

підсилювально-

розв'язувальний блок

(ПРБ).

Функцію порівняння напруг в цій схемі виконує компаратор -

електронний пристрій, що має два входи: статичний і інверсний, і

формує на виході сигнал логічної «одиниці», якщо сигнал на

статичному вході перевищує величину сигналу на інверсному вході.

Рисунок 1.39 - Діаграми напруг каналу СІФУ

uC

0

UK1

UG1

UK2

UВИХ

ωt

ωt

t

t

UОП UОП

66

Функцію компаратора виконує операційний підсилювач, за

відсутності зовнішніх ланцюгів зворотного зв’язку.

В якості синхронізуючих для СІФУ найбільш широке

застосування знайшли трифазні трансформатори напруги: (рис.1.41),

у яких вихідні фазні напруги зміщені одна щодо одної на 120 ел. град.

Для формування імпульсів, синхронізованих з позитивними і

негативними півхвилями кожної фазної напруги входи компараторів

суміжних каналів (однієї фази) підключають до вихідної фазної

обмотки трансформатора за схемою (рис. 1.41,а).

Напруга

пилоподібної форми

може бути

сформована

способами:

перезаряду ємності

змінним струмом

прямокутної форми,

або заряду ємності

через резистор від

джерела постійної

напруги і

подальшого швидкого її розряду. Для комутаціїї ємнісних елементів

застосовують напівпровілникові ключі.

Підсилювально-розв'язувальний блок (ПРБ) призначений для

підсилення за потужністю імпульсів управління, що надходять на

тиристори і гальванічної розв'язки за напругою силових ланцюгів (з

тиристорами) і ланцюгів управління (СІФУ). Поширеними є схеми

ПРБ на основі застосування генератора відпираючих імпульсів (ГВІ),

який формує послідовність потужних імпульмів високої частоти UГВІ.

Під час існування вихідних імпульсів СІФУ (UК2) відповідними

ключовими транзисторами вихід ГВІ приєднується до первинних

обмоток відповідних трансформаторів. На їхніх вихідних обмотках

формуються «пакети» імпульсів UВИХ ГВІ достатньої потужності, що

не мають гальванічного зв’язку із ланцюгами СІФУ (рис. 1.42).

При управлінні перетворювальними пристроями, що містять

кілька тиристорів кількість каналів СІФУ (рис. 1.40) дорівнює

кількості тиристорів. Усі ці канали управляються однією опорною

Uоп

ПС ПРБ

до мережі

= =

К1

G1 = =

К2

до інших

каналів

СІФУ

Рисунок 1.40 – Структура одного каналу СІФУ

67

t

t

t

UГВІ

UК2

UВИХ

Рисунок 1.42 - Діаграма напруг ПРБ при

формуванні пакетів імпульсів для відпирання

тиристора

напругою і можуть мати загальні блоки (наприклад, вузол

синхронізації, генератор відпираючих імпульсів).

Крім розглянутого

існує декілька інших

способів реалізації

функції СІФУ.

Зокрема, високою

точністю формування

фазових кутів α

відпирання тиристорів

відрізняються цифрові

мікропроцесорні

схеми (рис. 1.43). У

цій схемі основну

функцію виконує

мікроконтролер, який

відповідно до

програми здійснює відлік необхідних кутів α (відпирання тиристорів),

пропорційних опорній напрузі Uоп. Функцію підсилення та

гальванічної розв’язки вихідних імпульсів мікроконтролера (для

управляння силовими тиристорами VS1, VS2. виконують оптопари

V1.1, V1.2, транзистори VT1 - VT4, трансформатори TV3, TV4.

Канал І

Компаратори

uA

uB uC

Канал ІІ

б а

TV 1

Рисунок 1.41 - Схема підключення синхронізуючого трансформатора до

СІФУ (а) і векторна діаграма його вихідних напруг (б)

68

Uc

Uу

Uк1

~2

20

Uо

п

Uнг

Ри

сун

ок 1

.43

– С

хем

а кан

ала

СІФ

У, щ

о в

икон

ани

й н

а м

ікрокон

тро

лер

і

69

1.11.2 Керовані випрямлячі

Силові керовані (тиристорні) випрямлячі (КВ) застосовуються в

електроприводах постійного струму. Здебільшого у промисловості

застосовуються трифазні мостові схеми (рис.1.44). В схемі

випрямляча тиристор, анод якого має найбільш високий потенціал,

вступає в роботу, якщо на його керуючий електрод буде поданий

керуючий імпульс. За умови фазової затримки α цього імпульсу

випрямлена напруга Uвип знижується, а її пульсація збільшується.

Середнє значення випрямленої напруги дорівнює:

Uвип = Е о cos , (1.101)

(1.102)

де Е о - максимальна величина випрямленої напруги (при α = 00);

Е2ф - діюче значення фазної ЕРС вторинної обмотки трансформатора;

m - число фаз входу

випрямляча.

У схемі

випрямляча

одночасно працюють

два тиристори на

інтервалах комутації.

Струм через

навантаження RH

проходить

послідовно через них

і дві фази

трансформатора під

дією різниці відповідних фазних ЕРС, тобто під дією лінійних ЕРС.

Протягом періоду вхідної змінної напруги працюють всі 6 тиристорів

випрямляча. У цих умовах: Е c=1,35 Е2 =2,34 Е2ф, (де Е2 - діюче

значення лінійної ЕРС вторинних обмоток трансформатора

живлення). У мостовій схемі режим безперервного струму

зберігається при 0 ˚ ≤ α ≤ 120 ˚ (рис. 1.45).

RH

КВ

А

В

С

Рисунок 1.44 – Трифазна мостова схема

керованого випрямляча

70

1.11.3 Перетворювачі частоти з ланкою постійного струму

Перетворювачі частоти з ланкою постійного струму (ПЧ-ПС)

знаходять все більш поширене застосування в системах

електроприводів гірничих машин як засоби, що забезпечують тривалу

роботу асинхронного двигуна при стійкій частоті обертання ротора,

що знаходиться в діапазоні від нульової до номінальної величини.

Цей спосіб оснований на властивості асинхронної машини тримати

кутову швидкість обертового магнітного поля, що формується в

магнітній системі „статор – ротор”, у суворій відповідності до

частоти f напруги, що подається на статор. Це обумовлює

відповідний рівень частоти обертання холостого ходу ω0 ротора АД :

ω0 = 2πf / p (де р – число пар полюсів АД).

Рисунок 1.45- Діаграма напруг мостового керованого випрямляча:

а - вхідна; б, в - вихідні при (б); = 1200 (в)

( - кут відпирання тиристора відносно лінійної напруги).

0

uА uВ uС

ωt

u

t

в

uвих2

0

120 0

300

71

Реалізація частотного способу управління кутовою швидкістю

АД полягає у використанні напівпровідникового статичного

пристрою, що перетворює змінну напругу мережі промислової

частоти у змінну напругу заданої частоти f і величини U .

Типова схема ПЧ-ПС (рис. 1.46) складається з випрямляча В,

дроселя (L) фільтру і автономного інвертора АІ. До складу схеми

входять також вхідний і вихідний фільтри приєднання (Ф1 і Ф2),

блоки гальмування (БГ); вимірювання (БВ); управління (БУ). ПЧ-ПС

перетворює трифазну напругу мережі промислової частоти (50 Гц)

спочатку у випрямлену напругу (на виході випрямляча (В), а у

подальшому – у трифазну напругу наперед заданої частоти (вихідна

напруга АІ). З метою забезпечення сталості критичного моменту Мкр.

асинхронного двигуна, шо підключається до виходу ПЧ-ПС,

випрямляч перетворювача (за умови його побудови на тиристорах)

способом фазового регулювання може змінювати величину напруги

на своєму виході, що необхідно для реалізації правила М.П.

Костенка – U / f = const.

Рисунок 1.46 – Структурна схема частотно-регульованого електроприводу

~Uпит

В

Упр. БУ Iп

Uп

БГ АІ

М

Rг

БВ

L2 L1 L3

72

З метою створення обертового поля в статорі АД тиристори АІ

включаються групами, наприклад: у відповідності з діаграмою рис.

1.47 Частота перемикання груп тиристорів АІ є частотою вихідної

напруги перетворювача. Цей алгоритм може бути реалізований

засобом управління автономним інвертором (рис. 1.48).

В цьому засобі генератор тактових імпульсів (ГТІ) формує

вхідні імпульси Uвх регульованої частоти f = var і подає їх на вхід

кільцевого шестиканального розподільника імпульсів (РІ). З появою

кожного вхідного імпульсу логічна «одиниця» переміщується на

наступний вихідний канал РІ. Розширювач імпульсів (на елементах

«АБО» об'єднує виходи кожних трьох суміжних каналів РІ і, тим

самим, формує імпульси управління ключовими напівпровідниками

АІ (U1 - U6) тривалістю π рад. кожен, зсунуті в суміжних каналах на

π / 3 рад. (де 2π = 1 / f). Ключові напівпровідники АІ (відповідно до

Рисунок 1.47 – Діаграми силових ліній в магнітопроводі статора АД і

розподілу імпульсів управління ключових напівпровідникових елементів

інвертора

73

рис. 1.46 - транзистори IGBТ) будуть знаходитись у провідному стані

на інтервалах існування відповідних імпульсів U1 - U6.

Схема АІ, що виконана на

транзисторах IGBТ дозволяє

отримувати на виході систему

трифазних напруг, близьких за

формою до синусоїди за

рахунок застосування широтно-

імпульсної модуляції (ШІМ),

що пояснюється діаграмами

(рис. 1.49) і полягає в модуляції

високочастотної (несучої)

основи напруги

низькочастотною (вихідною)

складовою. При цьому на

протязі періоду вихідної

напруги ТВ скважність

імпульсів напруги несучої

частоти змінюється за

синусоїдальним законом:

)2sin( В Вm f , (1.103)

де γm- глибина модуляції; fВ ; φВ - частота і початкова фаза вихідної

напруги.

Напруга на виході АІ, у свою чергу, пропорційна скважності:

UB = γ Ud (де Ud - напруга в колі постійного струму). Таким чином,

регулюючи скважність за законом (1.103), вдається сформувати на

виході ПЧ близьку до синусоїдальної напругу заданої частоти і

амплітуди, забезпечуючи виконання закону U / f = const. без

регулювання вихідної напруги випрямляча.

ПЧ-ПС попередніх розробок відрізняються застосуванням

тиристорних ключів (VS1-VS6) в схемі автономного інвертора (рис.

1.50). У порівнянні із транзисторним інвертором це є суттєвим

недоліком, оскільки передбачає необхідність застосування

комутуючих конденсаторів (С1-С6) примусового запирання груп

тиристорів в інверторі та силових діодів (VD1-VD6) для недопущення

розряду комутуючих конденсатораів через силові ланцюги статора

асинхронного двигуна (навантаження перетворювача). Це ускладнює

Рисунок 1.48 – Спрощена схема

управління автономним інвертором

ПЧ-ПС

74

схему перетворювача, підвищує її вартість, габарити, ускладнює

питання охолодження силових напівпровідникових приборів,

зменшує надійність перетворювача. Тому переважна більшість

сучасних схем ПЧ-ПС містять автономні інвертори на транзисторах

IGBТ (відповідно до рис. 1.46).

Призначення інших функціональних вузлів перетворювача

частоти є таким. Вхідний фільтр L1 захищає мережу від внесених

працюючим (ПЧ) високочастотних гармонік. Проміжний фільтр L2

згладжує випрямлену напругу. Вихідний фільтр L2 зменшує

присутність у вихідній напрузі ПЧ високочастотних складових

перед подачею в ланцюг живлення АД.

Функція гальмування асинхронного двигуна (що підключається

до виходу ПЧ-ПС, реалізується замиканням ЕРС цього двигуна на

резистор гальмування Rг через силовий транзисторний ключ VT7.

Блок вимірювання здійснює контроль параметрів роботи

приводу, забезпечуючи необхідні зворотні зв'язки, і надаючи

відповідні інформаційні сигнали до блоку управління (БУ).

u2*(t

)

t

Тн

t

t

Рисунок 1.49 - Двополярна і однополярна широтно-імпульсна модуляція

вихідної напруги автономного інвертора.

u2(t

)

u2(t

)

Тв

ых

75

1.12 Динаміка пуску асинхронного двигуна. Методи уповільнення

розгону асинхронного двигуна

1.12.1 Динаміка пуску асинхронного двигуна

У переважній більшості випадків пуск асинхронного двигуна

відбувається шляхом безпосереднього (контакторного) підключення

його до мережі живлення. Враховуючи на те, що двигун розпочинає

свою роботу на нестійкій механічній характеристиці, його розгін

супроводжується підвищенням прискорення у міру збільшення

кутової швидкості (див. п.1.2, рис. 1.6, б) доки не відбудеться вихід

двигуна на стійку механічну характеристику. Само по собі, це

спричиняє завеликі динамічні перевантаження у трансмісії будь-

якого привода, суттєво зменшує її ресурс і супроводжується

стрибкоподібним зрушенням рухомих елементів, що є небезпечним

для обслуговуючого персоналу.

Однак, контакторне підключення до мережі асинхронного

двигуна призводить до виникнення в ньому електромагнітного

VS1-VS3 VD1-VD3 VD4-VD6 VS4-VS6

C1-C3 C4-C6

+ _

Вихід ПЧ-ПС

Рисунок 1.50 – Схема автономного діодно-тиристорного інвертора

ПЧ-ПС

76

перехідного процесу, який супроводжується виникненням

аперіодичної складової магнітного потоку (і, відповідно, струму

намагнічування), величина якої визначає початкову величину

електромагнітного перехідного моменту [12]. Через це виникає вплив

на формування роторних струмів двигуна, що призводить до

розузгодження між їх фактичним значенням і величинами, які вони

повинні мати при відповідному ковзанні. Сталий режим досягається

після декількох коливань навколо положення рівноваги, після

затухання перехідних струмів. Таким чином, контакторний пуск

асинхронного двигуна відбувається по його динамічній механічній

характеристиці 1 (рис. 1.51), яка відрізняється коливаннями

електромагнітного моменту двигуна в процесі розгону. Вона

відображає зв’язок між миттєвими значеннями моменту і швидкості

двигуна у перехідному процесі його роботи на відміну від статичної

механічної характеристики 2, яка відображає зв'язок між середніми

значеннями моменту і швидкості в сталих режимах і є геометричним

місцем точок рівноваги системи «двигун - навантаження».

Слід враховувати, що коефіцієнт затухання перехідної складової

моменту збільшується з підвищенням швидкості ротора [12].

Рисунок 1.51 – Пускова динамічна (1) і статична (2) механічні

характеристики асинхронного двигуна

1

2

МН МП М

77

Найбільше число коливань піків перехідного моменту має місце при

нерухомому двигуні та в зоні низьких швидкостей.

Таким чином, з метою забезпечення сприятливих умов

експлуатації електромеханічних систем, високого ресурсу трансмісій

гірничих машин доцільним є впровадження управління динамічними

режимами пуску електроприводів в контексті управління

електромагнітними перехідними моментами, зокрема, шляхом впливу

на величину вільної складової магнітного потоку асинхронного

двигуна, що виникає в процесі його пуску.

При незмінній величині частоти напруги мережі єдиним

способом управління струмом намагнічування і, відповідно,

створюваним ним потоком, є вплив на систему напруг, що

прикладаються до двигуна. Це може бути реалізоване одним з трьох

способів. Перший полягає у обмеженні напруги живлення двигуна з

метою зменшення сталого значення магнітного потоку і стосовно до

гірничих машин (де присутні значні моменти опору) є неприйнятним.

Його реалізація супроводжується значним збільшенням терміну

розгону двигуна (рис. 1.52). Збільшується термін протікання по

обмотках двигуна струмів значної величини. Такий пуск може

призвести до відсутності руху ротора підключеного до мережі

двигуна через неспроможність подолання моменту опору (в разі

живлення напругою низької величини в процесі пуску).

Рисунок 1.52 – Осцилограми пуску АД при регулюванні напруги

живлення засобами ТРН [9]: а – прямий пуск; б – α = 600; в – α = 90

0

М; іs; ωs М; іs; ωs

М; іs; ωs

78

Інший спосіб передбачає детерміноване підключення до мережі

обмоток статора двигуна для створення сприятливих початкових

електромагнітних умов у момент підключення, що забезпечуватимуть

мінімальну амплітуду перехідного моменту. Умовою повного

усунення перехідних моментів є наступне співвідношення між

початковим потокозчепленням )0(s і результуючим вектором

напруги su трифазної системи:

2/)0()0( ss uj (1.104)

Параметр su обумовлює напрям потокозчеплення )0(s ,

визначається миттєвими значеннями фазних напруг мережі і

співпадає з їхніми максимумами. Тому детерміноване підключення

асинхронного двигуна до трифазної системи має відбуватися тільки у

максимумі напруги відповідної фази. Це може бути реалізовано за

допомогою трифазного тиристорного комутатора. На практиці

спочатку підключають дві фази двигуна на лінійну напругу, після

чого підключають третю фазу в момент максимуму її напруги. Однак,

це не усуває високої інтенсивності розгону асинхронного двигуна до

номінальної швидкості (рис. 1.53).

У промисловості широке застосування знайшов третій спосіб

управління динамічними режимами асинхронного двигуна (спосіб

уповільнення пуску), який полягає у зменшенні (в порівнянні із

контакторним пуском) швидкості збільшення напруги живлення

асинхронного двигуна і, відповідно, струму намагнічування. Його

Рисунок 1.53 – Осцилограми пуску асинхронного двигуна при різних

початкових умовах [9]:

а – контакторне підключення до мережі; б – детермінований пуск

79

реалізація основана на використанні тиристорного регулятора

напруги (ТРН) в силовому приєднанні живлення двигуна. При цьому,

засобами фазового регулювання (шляхом зміни величини заданого

кута відпирання тиристорів) змінюють вихідну напругу ТРН (напругу

живлення АД, починаючи із зменшеного фіксованого рівня до

номінальної величини за певним законом, протягом встановленого

терміну.

1.12.2 Улаштування та особливості експлуатації пристроїв

уповільнення пуску асинхронних двигунів

Поширеному застосуванню силових ТРН для уповільнення

пуску асинхронних двигунів гірничих машин сприяє простота

реалізації силової схеми регулятора, включаючи систему

охолодження силових тиристорів при їхньому розташуванні у

вибухобезпечній оболонці пристрою. Для тих технологічних

установок, уповільнення пуску яких не передбачає дотримання

заданої діаграми швидкості при коливаннях моменту опору,

достатнім є застосування розімкнутих схем управління ТРН. Це ще

більше спрощує схемотехніку засобів уповільнення пуску двигунів.

Для цього класу технічних рішень (пристроїв «soft-start»)

характерною є структура схеми, що реалізована в пристрої КУВПП-

250М (рис. 1.54) [14].

Робота пристрою розпочинається ввімкненням послідовного

контактору КМ1. При відключених тиристорах ТРН це відбувається

без протікання струму і дугоутворення в силовому ланцюзі

контактора, що суттєво збільшує його ресурс. Зазвичай. програма

зміни вихідної напруги ТРН задається користувачем залежно від

особливостей експлуатації електроприводу технологічної установки,

керованої від пристрою уповільнення пуску (рис. 1.55) і являє собою

пряму лінію. Величина завдання стартової вихідної напруги ТРН

знаходиться в межах від 0 до 60% від номінальної. При необхідності

пуску установки із значним моментом опору передбачений режим

«кікстарт». У цьому випадку на початковому етапі пуску відбувається

короткочасний, тривалістю 0,8 с, «накид» напруги на виході ТРН . По

закінченні розгону двигуна тиристори ТРН виводяться з роботи

ввімкненням шунтуючого контактору КМ2. Це суттєво зменшує

тепловиділення при роботі силових тиристорів регулятора напруги.

80

Рисунок 1.55 – Діаграми зміни вихідної напруги тиристорного комутатора

пристрою КУВПП-250М в процесі розгону та уповільнення асинхронного

двигуна споживача

Вільний вибіг АД

М’яка зупинка

Зупинка

Напруга, %

Пуск Робота Час у секундах

Стартовий імпульс 100 %

0

Початкова напруга

Рисунок 1.54 – Структурна схема комплектного пристрою повільного пуску

КУВПП-250М (розробка УкрНДІВЕ, Україна)

ТРН КМ1

КМ2

БЛОК СИНХРОНІЗАЦІЇ

ДРАЙВЕРИ ТИРИСТОРІВ ДАТЧИК

СТРУМУ

ГАЛЬВАНІЧНА РОЗВ’ЯЗКА БЛОК

ЖИВЛЕННЯ

ТРАНСФОРМАТОР НАПРУГИ

ПРИСТРІЙ ВВОДУ ДАНИХ

БЛОК УПРАВЛІННЯ

ДИСПЛЕЙ ПУСК / СТОП

А Ц П

81

У випадку, необхідності збільшення тривалості уповільнення

двигуна в порівнянні із тривалістю його вільного вибігу при

відключенні в пристрої «soft-start», передбачена функція м'якої

зупинки. У цьому випадку за командою «СТОП» система управління

спочатку повністю відкриває тиристори комутатора, а потім

поступово в заданому діапазоні часу збільшує кут α відпирання

тиристорів, повільно зменшуючи напругу на виході ТРН до нуля.

Після цього відключається послідовний контактор КМ1 (за

відсутності провідності ТРН процес відключення контактора не

супроводжується дугоутворенням),

Отже, в разі застосування пристрою «soft-start» створюється

система «тиристорний регулятор напруги – асинхронний двигун», у

якій величина напруги статора АД може змінюватися в повному

діапазоні за фазовим принципом управління тиристорами ТРН,

створюючи, у свою чергу, вплив на величину електромагнітного

моменту асинхронного двигуна.

Характерною особливістю щодо експлуатації АД є наявність на

клемах його статора трифазної ЕРС обертання rîáe , індукованої полем

струмів ротора, яка спроможна суттєво впливати на процеси в

системі ТРН-АД [15]:

))2()2((3

1rArBrsBsAmrîá iiLiiLpe , (1.105)

де р – кількість пар полюсів АД; si та ri - струми статора та ротора.

ЕРС rîáe має знак (-) по відношенню до ЕРС обертання, індукованої в

обмотці статора.

Рисунок 1.56 – Розрахункова схема системи ТРН-АД

82

Розрахункова схема системи “ТРН-АД” (рис. 1.56) містить

джерело живлення з фазними напругами AU ; BU ; CU , ТРН (VS1-VS6);

асинхронний двигун, в якому: sR ; slL , відповідно, активний опір та

індуктивність статора; rR ; rlL - відповідно, активний опір, та

індуктивність ротора; mL - індуктивність головного магнітного поля,

розрахована на фазу АД;

Аналіз процесів в системі ТРН-АД за методом фіксованих станів

показує, що фіксованій напрузі живлення АД відповідає багато

рішень диференційних рівнянь, визначених у функції ω ш= const. [15].

skssss

jdtdiru )/(

;)()/( rшkrrrr

pjdtdiru (1.106)

;0ii rsss

LL

;ii rrsor

LL

];[)2/3( 0 ii srmLpLM

,/ ОПMMdtJd

де ru - вектор напруги ротора; su та s - вектори напруги та

потокозчеплення статора АД, ωш – кутова швидкість системи

координат: J та M – відповідно, момент інерції та електромагнітний

момент АД, Моп – момент опору АД: Ls та Lr – еквівалентні фазні

індуктивності статора та ротора АД, відповідно, Ls = Lsс + L0 та Ls = Lsс + L0. Фактичному режиму відповідає тільки одна кутова

швидкість ротора, а саме, та, при якій М = Моп. За умови, коли кут α

відпирання тиристорів ТРН є більшим за нуль (ел. град), а кутова

швидкість ωш = ω1 є близькою до номінальної ω2, асинхронний

двигун знаходиться на стійкій частині своєї механічноі

характеристики, де магнітний потік машини є зменшеним відповідно

до зменшення живлячої напруги U(α):

Ф(α) = U(α)/4,44 fωk (1.107)

Постійність електромагнітного моменту (М=Моп=const) при

зменшеній напрузі живлення забезпечується підвищенням струму

АД:

M = k Ф(α) Ir cos φ2, (1.108)

83

де k – конструктивний коефіцієнт; φ2 – кут між ЕРС швидкості АД та

струмом його ротора: 22''

2 )2()/(//cos fLrsrsr rr , (1.109)

де f- частота напруги мережі; s – ковзання ротора АД.

Таким чином, підвищений порівняно з номінальним струм АД

та близька до номінальної кутова швидкість ротора двигуна

обумовлюють підвищення, ЕРС обертання АД. Це, у свою чергу,

обумовлює зміну фактичних кутів відпирання α та провідності β

тиристорів ТРН, пояснюється

діаграмами напруг (рис. 1.57)

[16].

На цьому рисунку

наведені діаграми зміни ЕРС

обертання АД за умови, що

сформований системою

управління кут відпирання

силових тиристорів ТРН αз =

90 ел. град. Діапазон зміни

ЕРС обертання від 0,45 до 0,9

від амплітуди номінальної

фазної напруги відповідає

даним експлуатації. Отже, при

підвищенні величини ЕРС

обертання АД її миттєві

значення можуть

перевищувати величини

миттєвих значень відповідних

вихідних фазних напруг u’A;

u’B; u’C виходу ТРН на

окремих ділянках часу

впродовж періоду напруги.

Так, тиристор, що

комутує напругу позитивного

знаку фази А, буде

ввімкненим тільки в інтервалі

t2 t t5, оскільки у цей термін

часу потенціал фазної ЕРС

ωt

ωt

ωt

ωt

u’C

u

u’A

u’B

uC uB uA

t7

t6

t5

t4

t3

αф

еоб С

еоб В

еоб А

βФ

ψ

αз

t2

t1

0

0

0

0

Рисунок 1.57 - Діаграми напруг

системи «ТРН-АД» в процесі

автоколивань при фазовому

регулюванні напруги

84

обертання що впливає на його катод, залишатиметься меншим, ніж

потенціал анода. Окрім цього, у цей же час будуть ввімкненими

тиристори, комутуючі півхвилі напруги протилежного знаку фаз В

(до моменту t4) та С (до моменту t6). Завдяки дії ЕРС обертання АД

провідний стан тиристорів ТРН може бути підвищений до 180 ел.

град. при фазовому затриманні струму до 120 ел. град. При цьому

напруга живлення АД досягає номінальної величини, що обумовлює

перехід двигуна з штучної на природну механічну характеристику,

наступне зменшення струму статора та ЕРС обертання і повернення

кутів комутації силових тиристорів ТРН до початкових (заданих)

параметрів [15; 16]. Після цього напруга живлення АД знову

зменшується, що дає підстави до наступного підвищення струму та

ЕРС обертання двигуна. Ці положення ілюструються осцилограмами

(рис. 1.58) [15].

Експериментально отримані характеристики автоколивань

параметрів системи ТРН-АД (для двигуна потужністю 32 кВт)

наведені на рис. 1.59. Наявність умов до виникнення та існування

нестійких станів системи ТРН-АД обумовлює необхідність

коректування керуючої функції з боку системи управління, а саме,

суттєве збільшення (не менш, як до 50 ел. град/с) швидкості

зменшення заданого кута α відпирання тиристорів ТРН під час

здійснення уповільненого пуску АД в разі стрибкоподібного

підвищення напруги в ланцюзі між ТРН і АД (що є ознакою початку

некерованого автоколивального процесу).

Рисунок 1.58 – Фрагменти осцилограм фазних: напруги u , ЕРС обертання

eоб та струму i статора АД впродовж періоду автоколивань параметрів

системи ТРН-АД (двигун типу КОФ-32 потужністю 32 кВт)

eоб

85

Особливості застосування тиристорних регуляторів напруги

стосуються і специфіки виникнення і протікання ненормальних

режимів роботи системи ТРН-АД, які мають бути виявлені і

потребують негайного відключення двигуна. До таких режимів слід

віднести неповнофазне електроживлення асинхронного двигуна через

невідпирання одного з тиристорів ТРН, Ймовірність такого випадку є

малою, оскільки параметри надійності роботи тиристора достатньо

високі. Але, оскільки існує можливість виникнення токого режиму,

він має бути розглянутий.

При контакторній комутації неповнофазний режим

характеризується відсутністю приєднання до живлячої мережі однієї

фази асинхронного двигуна. Через це не створюється обертовий

момент, рух ротора є відсутнім, дві фази двигуна обтікаються

пусковим струмом, що може спричинити швидкий перегрів і

пошкодження машини. На відміну від цього, неповнофазний режим в

разі невідпирання одного з тиристорів ТРН характеризується

змінюючими один одного з частотою мережі станами трифазного та

Рисунок 1.59 – Діаграми змін параметрів системи ТРН-АД за наявності

автоколивальних процесів при значенні заданого кута відкриття

тиристорів ТРН αз= 75 ел. град.

β – кут провідності тиристорів ТРН; íîìm

mîá

U

E - відношення амплітуд ЕРС

обертання та номінальної напруги відповідної фази; ím

m

I

I

1

1 - відношення

амплітуд фактичного та номінального струму статора АД

86

двофазного електроживлення двигуна. Найбільшу небезпеку цей

процес являє на інтервалі пуску. В цьому випадку двигун з частотою

мережі переключатиметься з рушійного режиму (точка «А») у режим

динамічного гальмування на рівень гальмового моменту, близького

до критичного (точка «В»), оскільки за половину періоду трифазного

електроживлення АД не встигає вийти на достатньо високу кутову

швидкість ω (рис. 1.60) [8].

Контроль стану силових

тиристорів VS1; VS2 фази

ТРН може бути здійснений

підключенням паралельно до

них ланцюгів з елементами

реагування (К1; К2) через

додаткові тиристори VS3;

VS4 (рис. 1.61) [17]. Схема

передбачає одночасне

ввімкнення тиристорів VS1;

VS3 від імпульса управління Uу1 та тиристорів VS2; VS4 від імпульса

управління Uу2. Таким чином, силовий тиристор ТРН у провідному

стані шунтуватиме схему відповідного ланцюга контролю. В разі

невключення силового тиристора за наявності імпульсу управління

додатковий тиристор VS3, або VS4 ввімкне відповідний ланцюг

контролю що призведе до спрацьовування елементу реагування.

VS1

VS2

K2

K1

R2 C2

C1 R1

VS4

VS3

Uу2

Uу1

Рисунок 1.61 – Схема контролю

станів силових тиристорів VS1 i VS2

в фазі ТРН

Рисунок 1.60 – Діаграми формування фазних напруг виходу ТРН при

не включенні одного з його тиристорів (а) і механічні

характеристики асинхронного двигуна (б) в процесі його розгону

при відсутності провідного стану одного з тиристорів ТРН

0

М

2-фазне живлення

ω

3-фазне живлення

А В

ωt

ωt

t1 t2 t3 t4

uA uB uC

uA

uмережі

uвих u’A u’B u’C

а б

87

Питання для самоконтролю

1. Якими є призначення і структура електроприводу?

2. Розкрити галузі застосування електродвигунів постійного і

змінного струму у відповідності до особливостей технологічних

установок гірничого підприємства

3. Які функції мають виконувати перетворювачі у структурі

електроприводу з урахуванням особливостей застосовуваних

приводних електродвигунів?

4. Розкрити і проаналізувати основне рівняння електроприводу

5. Якими є характерні ознаки режиму руху та режиму гальмування

двигуна стосовно до напряму дії електромагнітного моменту та

кутової швидкості?

6. Дати визначення стійкості механічної характеристики

електродвигуна. Якими є ознаки стійкої та не стійкої механічної

характеристики?

7. Дати визначення перехідному процесу, якими факторами

визначаються параметри перехідного процесу, які види

перехідних процесів є характерними для електроприводу?

8. У чому полягає графо-аналітичний метод розрахунку

перехідних процесів?

9. З якою метою і яким чином виконується приведення статичних

моментів, зусиль, моментів інерції в електроприводі?

10. Якими є електромеханічні властивості двигунів постійного

струму, у чому полягають принципи регулювання їхньої кутової

швидкості?

11. Якими є електромеханічні властивості асинхронних

двигунів?

12. У чому полягає спосіб регулювання кутової швидкості

асинхронного двигуна зміною частоти напруги живлення?

Розкрити сутність правила М.П. Костенка.

13. У чому полягає реостатний спосіб регулювання кутової

швидкості асинхронного двигуна (з фазним ротором)?

88

14. Яким є вплив на параметри асинхронного двигуна при

регулюванні величини напруги його електроживлення при

незмінній частоті напруги мережі?

15. У чому полягає принцип витіснення роторного струму? Як

його можна застосувати для підвищення навантажувальної

здатності асинхронного двигуна на інтервалі його розгону?

16. У чому полягає каскадний принцип регулювання кутової

швидкості асинхронного двигуна (на прикладі застосування

схем асинхронних машинно-вентильного і вентильного

каскадів)?

17. Якими є електромеханічні властивості синхронних

електричних машин?

18. У чому полягає спосіб генераторного гальмування двигунів

постійного струму і асинхронних двигунів?

19. У чому полягає спосіб гальмування противключенням

двигунів постійного струму і асинхронних двигунів?

20. У чому полягає спосіб динамічного гальмування двигунів

постійного струму і асинхронних двигунів?

21. У чому полягає спосіб індукційно-динамічного

гальмування асинхронного двигуна? Розкрити призначення,

улаштування і принцип дії апарату АТЭМ.

22. Розкрити структуру, і принципи функціонування

розімкнених та замкнених одноконтурних систем автоматичного

управління електроприводами.

23. Розкрити структуру і принцип функціонування системи

підпорядкованого автоматичного управління електроприводом.

Привести і проаналізувати типові схемні рішення стосовно

узгодження силової схеми електроприводу та функціональних

вузлів системи автоматичного управління.

24. Розкрити структуру і принцип дії системи імпульсно-

фазового управління тиристорним регулятором напруги

(тиристорним керованим випрямлячем).

89

25. Надати силову схему і проаналізувати принцип дії

керованого випрямляча.

26. Надати силову схему і проаналізувати принцип дії

перетворювача частоти з ланкою постійного струму.

27. Якою є проблематика пуску асинхронного двигуна шляхом

контакторного включення? У чому полягають способи

уповільнення розгону асинхронного двигуна?

28. Розкрити принципи улаштування і експлуатації пристроїв

уповільнення пуску асинхронного двигуна.

29. Якими є причини виникнення нестійких станів системи

«тиристорний регулятор напруги – асинхронний двигун» і у

чому полягає спосіб уникнення вказаних нестійких станів?

30. Чим відрізняється неповнофазне електроживлення

асинхронного двигуна в разі невключення тиристора регулятора

напруги і у чому полягає спосіб контролю стану силових

тиристорів цього регулятора?

90

РОЗДІЛ 2

РЕЖИМИ РОБОТИ І РОЗРАХУНОК ПОТУЖНОСТІ

ДВИГУНІВ ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ

Навчальною метою розділу є розгляд особливостей типових

режимів роботи електродвигунів і засвоєння принципів розрахунку

потужності двигуна з урахуванням особливостей його експлуатації в

контексті типових режимів роботи.

2.1 Загальна характеристика режимів роботи електродвигунів

У залежності від особливостей виробничого процесу робота

приводного двигуна технологічної установки характеризуються

певною тривалістю, періодичністю, рівнями навантаження, наявністю

гальмування; режимами нагріву та охолодження. Ці параметри у

своїй сукупності обумовлюють особливості відповідного типового

режиму роботи електродвигуна [18], характерними ознаками якого,

як правило, є наступні:

- температура ( ); максимальна температура ( макс );

- термін t виконання певної функції (пуск Dt ; робота pt ;

гальмування Ft ; пауза в роботі Rt );

- термін одного циклу навантаження (Тц);

- постійна часу нагріву двигуна (Т)

- еР - електричні втрати;

- SiP - номінальна потужність двигуна у відповідному режимі Si ;

- коефіцієнт циклічної тривалості включення (КЦТ).

- відносна тривалість включення (ТВ):

Поширеними у вугільній промисловості є наступні режими

роботи електродвигунів: тривалий (S1); короткочасний (S2);

повторно-короткочасний (S3); повторно-короткочасний з впливом

пускових процесів (S4). Розглянемо їхні характерні ознаки.

Тривалий режим роботи S1 (рис. 2.1, а) – це робота двигуна при

незмінному навантаженні Р і втратах еР протягом часу, достатнього

для досягнення сталої температури усіма його частинами ( макс ).

Короткочасний режим роботи S2 (рис. 2.1, б) – це робота

двигуна при незмінному навантаженні Р протягом терміну pt , що є

недостатнім для досягнення усіма частинами двигуна сталої

91

температури, після чого двигун зупиняється на термін, достатній для

охолодження до температури, що не більш, ніж на 2°С перевищує

температуру довкілля. Потужність двигуна визначається за

формулою:

TtSSpe

PP

1

112 , (2.1)

При цьому потрібно виконувати умову:

н

к

S

S

М

M

P

P8,0

1

2 . (2.2)

де 1SP - номінальна потужність двигуна в тривалому режимі S1; Мк і

Мн – відповідно, критичний і номінальний моменти двигуна.

Періодичний повторно-короткочасний режим роботи S3 (рис.

2.2, а) – це послідовність ідентичних циклів роботи, кожен з яких

включає час роботи pt при незмінному навантаженні, за який

двигун не нагрівається до усталеної температури, і час паузи Rt , за

який двигун не встигає охолоджуватися до температури довкілля.

Втрати при пуску не впливають на температуру частин двигуна.

Рисунок 2.1 – Характеристики режимів роботи

електродвигуна: а – режим S1; б – режим S2

а) б)

92

цpЦТ TtK . Потужність двигуна визначається за формулою:

100/)1(

)100/1(1 0

12ТВK

ТВPP

oSS

, (2.3)

де 0 - коефіцієнт зменшення тепловіддачі при непрацюючому

двигуні; oK - відношення втрат неробочого ходу до втрат при

навантаженні, ТВ – відносна тривалість включення:

)/(100 Rpp tttТВ , %. (2.4)

Періодичний повторно-короткочасний режим з впливом

пускових процесів S4 (рис.2.2, б) - послідовність ідентичних режимів

роботи, кожен з яких включає термін пуску Dt , час роботи при

сталому навантаженні pt , за який двигун не нагрівається до сталої

температури, і час паузи в роботі двигуна Rt , за який двигун не

встигає охолоджуватися до сталої температури. Коефіцієнт циклічної

тривалості включення дорівнює: цDрЦТ TttK . Відносна

Рисунок 2.2 – Характеристики режимів роботи

електродвигуна: а – режим S3; б – режим S4

а) б)

93

тривалість включення дорівнює:

)(100)( RDрDр tttttТВ , %. (2.5)

Періодичний повторно-короткочасний режим з впливом

пускових процесів і електричним гальмуванням S5 - режим, що

включає ті ж елементи, що і режим S4 з додатковим інтервалом Ft

швидкого електричного гальмування (рис. 2.3, а). Коефіцієнт

циклічної тривалості включення дорівнює:

цFpDЦТ TtttK /)( . Відносна тривалість включення

становить:

ТВ = ( pt + Dt + Ft )∙100 / ( pt + Dt + Ft + Rt ), %. (2.6)

Режим роботи, що перемежається S6 - послідовність

ідентичних циклів, кожен з яких включає термін роботи pt зі

сталим навантаженням Р та термін роботи в ненавантаженому режимі

vt , причому тривалість цих періодів є такою, що температура

Рисунок 2.3 – Характеристики режимів роботи

електродвигуна: а – режим S5; б – режим S6

а) б)

94

двигуна не встигає досягати усталеного значення (рис. 2.3, б).

Тривалість одного циклу стосовно цього режиму не повинна

перевищувати 10 хв. Показником режиму є відносна тривалість

навантаження:

ТН = pt ∙100 / ( pt + vt ), %. (2.7)

Нормованими є значення ТН = 15, 25, 40 та 60%. Потужність

двигуна, що працює в режимі S6, визначається за формулою:

ТНPP SS /10016 . (2.8)

за умови:

н

к

S

S

M

M

P

P8,0

1

6 . (2.9)

Періодичний режим, що перемежається, з впливом пускових

процесів і електричним гальмуванням S7 – це послідовність

ідентичних циклів, кожен з яких включає час пуску Dt , термін

роботи pt з постійним навантаженням і інтенсивне електричне

гальмування Ft (рис. 2.4, а). Режим не містить пауз (ТВ = 100 %);

КЦТ = 1. Якщо гальмування здійснюється реверсуванням, слід

враховувати, що один реверс за тепловим станом є еквівалентним

трьом пускам двигуна.

Періодичний режим, що перемежається, при періодичній зміні

частоти обертання S8 - це послідовність ідентичних циклів, кожен з

яких включає термін розгону Dt , роботу 1pt з незмінним

навантаженням і частотою обертання (ω1), електричне гальмування (у

термін 1Ft ), роботу 2pt при іншій частоті обертання (ω2) і

навантажені, електричне гальмування і т.д. (рис. 2.4, б). Термін

навантаження визначається стосовно до кожного конкретного рівня

сталої кутової швидкості (%): ТН1 = Ttt pD /100)( 1 ; ТН2 =

= Ttt pT /100)( 32 ; ТН3 = Ttt pT /100)( 21 та ін (де Т –

сукупна тривалість існування окремих режимів навантаження

двигуна). Режим реалізується у багатошвидкісних двигунах з

перемиканням числа пар полюсів.

95

2.2 Принципи вибору електродвигуна з урахуванням специфіки

типових режимів роботи

Загальним принципом, яким слід керуватися при виборі

двигуна для електроприводу певної технологічної установки має бути

відповідність номінальної швидкості двигуна, що обирається за

каталогом, заданій величині, при цьому, номінальна потужність

обраного двигуна повинна бути не меншою, ніж розрахункова. Вибір

двигуна має проводитись з урахуванням режиму роботи, на який цей

двигун розрахований. Отже, його номінальна потужність вказується у

відповідності до конкретного режиму роботи. У загальному випадку

розрахункова потужність двигуна Р (кВт) визначається величиною

його обертового моменту М (Н∙м) на валу та кутовою швидкістю ω

(об/хв.):

31055,9

M

P . (2.10)

Але кожен з типових режимів роботи має певні особливості

щодо розрахунку потужності двигуна [3; 18].

Рисунок 2.4 - Характеристики режимів роботи

електродвигуна: а – режим S7; б – режим S8

а) б)

96

Режим S1. При розрахунку потужності двигуна необхідним є

виконання перевірки достатності пускового моменту, що

розвивається двигуном, оскільки деякі види машин і механізмів, в

приводі яких працюють двигуни, мають підвищений опір тертя на

початку руху з місця. Розрахункова потужність двигуна визначається

енергетичними показниками відповідної машини (установки) з

урахуванням ККД. Наприклад, потужність двигуна для вентилятора,

або насоса визначається за формулою:

3)( 10

первентвент

QHP

, кВт,

3)( 10

пернаснас

gHQР

, кВт,

де Q - продуктивність вентилятора або насоса, м3/с; Н - розрахункова

висота підйому рідини (м) або депресія (тиск на виході) вентилятора

(Па); - щільність перекачуваної рідини, кг/м3; пер , нас , вент -

ККД передачі, насоса або вентилятора.

Складнішим є вибір потужності двигуна для приводу, що має

тривалий режим роботи зі змінним навантаженням (рис. 2.5) . Якщо

вибрати асинхронний двигун з номінальною потужністю, що

відповідає максимальному навантаженню, то велику частину часу

він працюватиме з

навантаженням, що є

менше номінального.

Вибір двигуна по

навантаженню 1Р або

2Р , призводитиме до

його перегріву при

навантаженні 3Р .

Перевищення

температури є

пропорційним втратам

потужності в двигуні.

Тому для правильного

вибору його потужності

визначають середні

втрати срР за робочий

цикл цТ :

Рисунок 2.5 - Діаграма навантаження

двигуна P=f(t) і діаграма втрат у двигуні

P=f(t) при тривалому змінному

навантаженні

97

m

i ц

iiср

T

tPР

1

, (2.11)

де iP - потужність втрат на i-му інтервалі; it - тривалість i-гo

інтервалу; m - число інтервалів в циклі.

Нормальним тепловий стан двигуна буде за умови, що середні

втрати потужності є не більшими за втрати при його роботі з

номінальною потужністю

срном РР , (2.12)

де

ном

номномном РР

1. (2.13)

Такий метод вибору потужності двигуна є методом середніх

втрат. Його недолік полягає в необхідності мати криву залежності

ККД двигуна від навантаження. Тому частіше використовується

метод еквівалентних (середньоквадратичних) величин. Суть його

полягає в тому, що при визначенні втрат дійсний струм замінюється

еквівалентним, який за робочий цикл викликає такі ж втрати

потужності. Повні втрати потужності в двигуні складаються з

постійних постР і змінних змР :

змпост РРР . (2.14)

Постійні втрати приблизно дорівнюють втратам в сталі, а змінні

втрати визначаються виразом:

RIРзм2 , (2.15)

де I - струм двигуна; R – активний опір обмоток двигуна.

Середня потужність втрат за цикл визначається формулою:

n

nnср

ttt

tРtРtРР

21

2211 . (2.16)

Підставляючи значення окремих втрат, отримаємо:

Rttt

tItItIРP

n

nnпостср

21

22

221

21 . (2.17)

Еквівалентний струм:

98

n

nnекв

ttt

tItItII

21

22

221

21 . (2.18)

Для правильного вибору двигуна по нагріву необхідно, щоб

еквном II .

Якщо дійсна величина струму має вид безперервної кривої

I=f(t), то при визначенні

еквівалентного струму

користуються методом

кусочно-лінійної

апроксимації та

отримують графік, що

складається з

прямокутників,

трикутників і трапецій

(рис. 2.6). Для ділянки,

що має форму

трикутника:

3

21IIекв , (2.19)

для ділянок, що мають

форму трапеції:

3

2554

24 IIII

Iекв

. (2.20)

Еквівалентне значення струму для графіка на рис. 2.6,

визначається формулою:

54321

5

2354

24

4243

232

222

211

21

33

ttttt

tIIII

tItItItItI

Iекв

. (2.21)

Якщо в процесі роботи двигуна має місце погіршення

тепловіддачі, пов'язане зі зниженням частоти обертання, то у

приведені вище формули еквівалентних величин вводиться

коефіцієнт погіршення тепловіддачі AAii / , де iA і А -

тепловіддача при i-й та номінальній частотах обертання. Величина

еквI визначається:

Рисунок. 2.6 – Кусочно-лінійна апрокси-

мація кривої діаграми навантажень I=f(t)

99

iii

ii

цекв

tt

tI

ТI

)(

)(12

. (2.22)

На практиці часто доводиться використовувати діаграму

моментів навантаження М=f(t), отриману в результаті розрахунку

механічних перехідних процесів. Оскільки при постійному

магнітному потоці Ф момент М=СФІ, то справедливим є вираз:

n

nnэкв

tt

tMtMtMM

1

22

221

21 . (2.23)

Для правильного обраного двигуна необхідно, щоб

еквном ММ .

Як правило, зміна навантаження на валу асинхронного двигуна

відбувається при його роботі на природній характеристиці, тому при

виборі потужності двигуна можна користуватися формулою

еквівалентної потужності. Вираз для еквівалентної потужності еквP

може бути отриманий з формули еквівалентного моменту, якщо в неї

підставити вираз моменту /103 PM . При const момент є

пропорційним потужності, тобто

ц

n

iii

еквT

tP

P

1

2

. (2.24)

Для правильно обраного двигуна необхідно, щоб еквном РР .

Розглянуті методи перевірки двигунів по нагріву при змінному

навантаженні є методами еквівалентного перетворення діаграми

навантаження до стандартної для режиму S1, на який розрахований

двигун для тривалого режиму роботи.

У відповідності до методу еквівалентного моменту (потужності)

попередній вибір двигуна виконується згідно виразів:

n

iii

n

iiiзном ttMkМ

11

2 ; (2.25)

n

iii

n

i і

номiiзном ttPkP

11

2

, (2.26)

100

де зk =1,1…1,3 – коефіцієнт запасу.

Режим S2. При виборі двигуна доводиться мати справу з тим,

що термін його фактичної роботи не співпадає з тривалістю

короткочасної роботи, визначеною нормативно (10, 30, 40 та 90 хв.).

Крім того, навантаження приводу протягом робочого періоду tp може

ступінчасто мінятися. У цих випадках необхідно розраховувати

еквівалентні величини, які приводяться до стандартної величини

тривалості короткочасної роботи стрt . , найближчого до реального

значення pt . При виборі двигуна повинні дотримуватися умови:

)()( ..

2

. стpномстp

iiстpекв tМ

t

tMtM

; (2.27)

)()( ..

2

. стpномстp

iiстpекв tР

t

tРtР

. (2.28)

де )( .стpекв tM , )( .стpекв tР - номінальні значення моменту і

потужності двигуна, що відповідають тривалості короткочасної

роботи стpt . .

Режим S3. Для електроприводів, що працюють в режимі S3,

доцільно вибирати двигун, призначений для цього режиму за

наступною методикою. По діаграмі навантаження для тривалості

робочого циклу Тц10 хв. визначається відносна тривалість

включення:

100ц

pi

T

tТВ

%, (2.29)

де tpi - час роботи при i-му навантаженні за термін Тц.

Далі визначаються приведені до найближчого стандартного

значення ТВст=15, 25, 40, 60 % еквівалентні величини потужності

Рекв, моменту Мекв:

pi

pii

стекв

t

tР

ТВ

ТВР

2

; (2.30)

pi

pii

стекв

t

tМ

ТВ

ТВМ

2

. (2.31)

При цьому має виконуватися умова: ТВстномТВстекв РР .. ;

101

ТВстномТВстэкв ММ .. , де ТВстномР . , ТВстномМ . - номінальні

значення потужності і моменту, що відповідають ТВст.

При ідентичних циклах з постійним навантаженням у термін

робочого періоду наведені вище вирази приводяться до виду:

стномТВстном ТВТВРР /. ; (2.32)

стномТВстном ТВТВММ /. . (2.33)

Маючи паспортні дані ( номР , ТВ), по отриманих виразах можна

визначити Рр, Мр при заданому ТВ, або ТВ при заданих Рном та Мном.

Режими S4 і S5. Для електроприводів, що працюють в режимах

S4 і S5, тобто при частоті включень 30 вкл./годину, рекомендується

вибирати двигуни, призначені для режиму роботи S3, але із запасом

за потужністю на 3050%. Вибір в цьому разі ускладнюється тим, що

заздалегідь точна діаграма навантаження для цих режимів не може

бути розрахована, оскільки суттєву долю втрат складають втрати в

перехідних процесах, які можуть бути розраховані тільки після

вибору двигуна.

Режими S6 і S7. Для роботи в режимах S6 і S7 зазвичай

вибирають двигуни, призначені для роботи в режимі S1, але із

запасом за потужністю на один ступінь. Розрахунок еквівалентних

величин потужності, струму або моментів проводиться так само, як і

для режиму S1. Для обох вказаних розрахунків обов'язковою є

перевірка умов: номпуск MМ ; номMМ max .

Окремо розглянемо режим з ударним навантаженням, коли

момент статичного навантаження різко збільшується, з подальшим

зменшенням до моменту неробочого ходу. Цей режим роботи

двигуна можна також віднести до S6. У такому режимі працюють

двигуни компресорів, поршневих насосів і т.п.

Зазвичай в приводах, що працюють з ударним навантаженням,

на вал встановлюється маховик, який бере на себе частину

навантаження при різкому її збільшенні. В період зниження

навантаження, коли швидкість електроприводу зростає, запас

кінетичної енергії маховика знову зростає; двигун при цьому несе

навантаження більше, ніж момент опору неробочого ходу Моп.0.

Принцип спільного вибору двигуна і маховика для машин з

ударним навантаженням полягає в тому, що кінетична енергія

маховика на початку нового циклу повинна залишатися незмінною, а

швидкість двигуна – постійною. В процесі проходження піків

навантаження під час циклу маховик віддає енергію на вал (на рис.

102

2.7 відповідає заштрихованим ділянкам зі знаком «-»), а в період

неробочого ходу, тобто із збільшенням швидкості, запасає її

(заштриховані ділянки зі знаком «+»). Енергія, віддана маховиком за

цикл, має дорівнювати енергії, що знову маховиком накопичується.

Якщо ці умови не дотримуються, то в наступні періоди швидкість

приводу на початку

циклу не залишатиметься

постійною, і двигун буде

перевантажений, або

вибраний із завищеною

потужністю.

Простішим є метод

спільного попереднього

вибору двигуна і

маховика. Він полягає в

тому, що з усього

робочого циклу Тц

розглядається лише

період найбільшого

навантаження двигуна.

На рис. 2.7 він

визначений інтервалом

кt . Цей період

характеризується максимальним статичним моментом Мс.max, який

розвиває двигун ( сМ ) і початковим моментом двигуна 0.сМ . Для

спрощення попередніх розрахунків приймають 0.0. сс ММ . Для

наведеного графіка (рис. 2.7) вважаючи, що при сМ двигун має

працювати з максимальним навантаженням, можна записати

MkMk Ttc

Ttс eMeMМ

/0.

/max 1

, (2.34)

де maxM - максимальний електромагнітний момент двигуна;

номномМ МsJJТ // 0 - електромеханічна стала часу.

Момент інерції електроприводу:

maxmax.

0.max.0 ln/

MM

MMstMJ

c

ccномкном

. (2.35)

Момент інерції маховика знаходиться з виразу:

двJJJJ maxmax , (2.36)

де maxJ - приведений до валу двигуна момент інерції механізму.

Рисунок 2.7 – Графік ударного

навантаження двигуна з маховиком

103

Надалі, користуючись параметрами прийнятого (розрахованого)

маховика необхідно провести перевірку правильності вибору двигуна

і маховика, для чого будують графіки моменту і швидкості за цикл,

аналогічні до рис. 2.7. Критерієм правильності вибору є умови:

цкінцпоч ММ .. ; цкінцпоч .. ,

де цпочМ . , цкінМ . , цпоч. , цкін. - відповідно, значення моменту і

швидкості на початку та у кінці циклу.

Для попередньо обраного двигуна будується діаграма

навантажень і перевіряються еквМ та еквР , як і для режиму S1.

З наведеного виразу для J витікає, що момент інерції маховика

може бути зменшений при застосуванні двигуна із збільшеним

ковзанням номs .

Для роботи в режимі S8, як правило, вибирають двигун,

призначений для роботи в режимі S1 із виконанням відповідних для

цього режиму розрахунків. При виборі потужності має бути введений

коефіцієнт запасу, що враховує погіршення умов охолодження при

зменшеній швидкості, динамічні навантаження при переході від

одного ступеня швидкості до іншого.

Після вибору двигуна будується уточнена діаграма

навантаження, для якої знаходять еквівалентні за цикл значення

струму і моменту.

Для роботи в режимі стохастичного навантаження. У таких

режимах можуть працювати асинхронні двигуни видобувних та

прохідницьких комбайнів, скребкових конвеєрів і т. п. Діаграма

навантаження електроприводу в цьому випадку не може бути

виражена у вигляді певної детермінованої залежності M(t). Тому для

оцінки нагріву двигуна необхідно користуватися методами теорії

випадкових процесів.

Визначальними є імовірнісні характеристики моменту опору, від

яких залежать аналогічні характеристики струмів двигуна і

перевищення температури його частин. Оцінка теплового стану

двигуна по середньому значенню навантаження призводить до

заниження температури обмоток і похибка ця буде тим більшою, чим

більше розсіяння (дисперсія) моменту опору від його середнього

значення.

Для більшості випадкових процесів справедливим є правило

"трьох сигм", інтерпретація якого стосовно до теплових процесів при

стохастичному навантаженні двигуна дає можливість визначити

104

найбільше значення перевищення температури його обмотки:

3 ,

де - математичне очікування перевищення температури

обмотки; - середньоквадратичне відхилення температури.

Умова допоб буде критерієм правильності вибору

електродвигуна при невідомій кореляційній функції випадкового

процесу навантаження. Перевірку правильності вибору двигуна за

умовами нагріву для значень еквівалентного моменту або

еквівалентної потужності можна виконати відповідно до умов:

номекв МM , номекв РР з урахуванням того, що еквM та еквР

визначаються наступним чином:

22Мекв МM ;

22Рекв РР ,

де М та Р - математичне очікування, відповідно, моменту та

потужності; М та Р - їх середньоквадратичне відхилення.

Питання для самоконтролю

1. Дати загальну характеристику типовим режимам роботи

електродвигунів

2. У чому полягають принципи розрахунку потужності двигуна

стосовно до типових режимів роботи (S1 – S8)?

3. У чому полягають переваги методу еквівалентних величин при

розрахунку потужності (моменту) двигуна?

4. Що потрібно враховувати при розрахунку потужності двигуна у

режимі S1 в разі ступінчастої зміни навантаження

5. Як впливає параметр інерційності маховика на результати

розрахунку потужності і моменту двигуна, робота якого

визначатиметься циклічним накидом навантаження?

6. Якою є особливість розрахунку потужності електродвигуна для

роботи в режимі стохастичного навантаження?

105

РОЗДІЛ 3

АВТОМАТИЗОВАНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД ШАХТНИХ

ПІДЙОМНИХ УСТАНОВОК

Навчальною метою розділу є розгляд особливостей

улаштування і функціонування електроприводів шахтних підйомних

установок, включаючи електромеханічні системи з приводами

постійного і змінного струму, засоби автоматичного управління

електроприводами шахтного підйому, окремі функціональні

елементи приводів. Результатом засвоєння студентами матеріалу

розділу є знання принципів побудови і функціонування

автоматизованих електроприводів шахтного клітьового та

скіпового підйому, однокінцевої відкатки, включаючи технічні засоби

автоматизації управління їхніми робочими режимами.

3.1 Загальні відомості про системи електроприводу шахтного

підйому

Шахтні підйомні установки призначені для виконання

найважливішої транспортної функціїї на гірничому підприємстві –

переміщенню персоналу, гірської маси та обладнання по шахтних

стволах та похилих виробках. Відповідно до цього розрізняють

клітьові та скіпові установки, а також шахтні підземні підйомні

машини і лебідки.

Характерною особливістю роботи підйомної установки є її

циклічність. При цьому кожен цикл характеризується періодами

розгону, руху з постійною швидкістю, уповільненням руху і паузою.

Крім того, діаграма швидкості скіпової підйомної установки, що

призначена для транспортування по шахтних стволах гірської маси у

скіпах, повинна передбачати рух підйомних судин на малій

швидкості по спеціальних направляючих (розвантажувальних

кривих) до місць автоматичного розвантажування і завантажування

скіпів (рис. 3.1; рис.3.2). Таким чином, діаграми швидкості шахтної

підйомної установки розрізняють за кількістю періодів на протязі

циклу: трьохперіодні, або п’ятиперіодні (які характерні для установок

клітьового підйому) та шестиперіодні, або семиперіодні, (скіпові

підйомні установки).

106

v

t

v

t

Тц

Тц

t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7

t1 t2 t3 t4 t5 t6

t8

t7

б

в

а

5

2

3

3

1

4

6

7

8

9

10

11 12

Рисунок 3.1 – Структурна схема шахтного скіпового підйому (а);

шестиперіодна (б) та семиперіодна (в) діаграми швидкості шахтної

підйомної установки

1; 2 - скіпи; 3 – канат; 4 – барабан підйомної машини; 5 – направляючий

шків; 6 – копер; 7 – приймальний бункер; 8 – завантажувальний бункер; 9

– затвор дозувального пристрою; 10 – опрокидувач вагонеток;

11 - будівля для розташування шахтної підйомної машини; 12 - бункер

107

v

v

t

Рисунок 3.2 – Структурна схема шахтного клітьового підйому (а);

трьохперіодна (б) та п’ятиперіодна (в) діаграми швидкості шахтної

підйомної установки

7

3 6 2

3

1

5

4

1; 2 - кліті; 3 – канат;

4 – барабан підйомної

машини; 5 – направляючий

шків; 6 – копер; 7 – будівля

для розташування шахтної

підйомної машини

t1 t2 t3

t1 t2 t3 t4 t5

t4

t6

Тц

Тц

б

в

t

а

Рисунок 3.3 – Підйомна

машина барабанного типу

1- двигун; 2- редуктор;

3 – муфта; 4 – барабан

підйомної машини;

5 - канат; 6 – гальмовий

пристрій; 7 пульт

машиніста підйому

4

6

2

5

3

1

7

108

v; F

v=f(t)

t

F1

F2

F5

F4

F3

F6

Рисунок 2.4 – Діаграми зусиль врівноваженої

двокінцевї підйомної установки, працюючої за

шестиперіодною діаграмою швидкості

0

Величини швидкостей і прискорень руху підйомних судин

визначаються відповідними нормативами і обмежені міцносними

властивостями механічного обладнання шахтного підйому. Так,

максимальна швидкість руху підйомної судини в місці сходу з

розвантажувальрих

кривих (момент t1 на

рис. 3.1, б) не

повинна

перебільшувати 1, 5

м/с для скіпа і 2,5 м/с

для опрокидної кліті.

Прискорення, з яким

рухається підйомна

судина на ділянці

розгону до

максимальної

швидкості,

обмежується

величиною у 1,2 м\с2,

а швидкість входу

судини у розвантажувальні криві має дорівнювати не бідьш, ніж 1,5

м/с. Швидкість подальшого руху судини у розвантажувальних кривих

має знаходитись в межах 0,6 + 0,3 м/с. Максимальна швидкість руху

підйомної судини не повинна перевищувати 20 м/с. Ці показники

супроводжуються відповідними величинами зусиль на ободі барабану

підйомної установки (рис. 2.4).

Враховуючи на незмінність таких складових, як відстань між

кінцевими точками підйому, прискорення, швидкість, уповільнення

підйомної судини, діаграма швидкості підйому має бути теж

підтримана постійною. На заваді цьому стає змінний характер

моменту опору, який обумовлений змінністю навантаження

підйомної судини та іншими факторами. Таким чином, стосовно до

шахтного підйому більш прийнятними є способи управління

швидкісними режимами двигуна, які передбачають занаходження

останнього на жорстких механічних характеристиках.

Електрообладнання шахтних підземних підйомних машин

представлене головним електроприводом, допоміжними

електропирводами та апаратурою управління і захисту [19].

Найважливішою функцією головного приводу шахтного підйому є

109

спроможність підтримання швидкісних режимів двигуна (робочого

органу) відповідно до заданих циклічних діаграм у повному діапазоні

– від нульової до номінальної швидкості. Типи двигунів головного

приводу і засоби управління обумовлюються величинами робочих

потужностей, які повинен розвивати двигун, призначенням приводу і,

відповідно до цього, - функціональними властивостями та величиною

капіталовкладень щодо запровадження технічних засобів реалізації

електромеханічних систем шахтних підйомних установок (табл. 3.1)

[20]. Отже, в експлуатації, у складі електроприводів шахтних

підйомних установок застосовуються:

- двигуни постійного струму: системи «генератор – двигун» (Г-

Д); «генератор-двигун» з тиристорним збудником; «керований

випрямляч (тиристорний перетворювач) – двигун» (ТП-Д). Останні є

перспективними;

- асинхронні двигуни: система «перетворювач частоти –

двигун» (ПЧ-АД) із застосуванням двигунів з короткозамкненим

ротором; реостатні та каскадні схеми із застосуванням двигунів з

фазним ротором. Останні застосовуються переважно в

електроприводах підземних підйомних машин та лебідок одиничної

потужності від 160 до 250 кВт, включно, і аналогічних

електроприводах інших підйомних установок;

- синхронні частотно-керовані двигуни: в системах ПЧ-СД в

складі електроприводів великої потужності.

Допоміжні приводи шахтних підземних підйомних машин

оснащені асинхронними двигунами з корокозамкненим ротором. До

них відносяться:

- привод маслонасосу (Р=2,2 кВт), або пневмостанції (Р=11 кВт)

системи гальмування;

- приводи насосу і вентилятора системи охолодження

рідинного реостата (Р=5,5 кВт – кожного двигуна) – в складі

асинхронного електроприводу з реостатною системою регулювання

швидкості.

Для комутації двигунів допоміжних приводів застосовуються

шахтні магнітні пускачі.

110

Таблиця 3.1 – Рекомендовані області застосування різних систем

електроприводу шахтних підйомних установок

Система

електропирводу

Потужність

приводу,

кВт

Вид підйому

клітьовий скіпо-

вий

прохід-

ницький допо-

міжний

голов-

ний

Асинхронний

однодвигуневий 315-1250 + - - +

Асинхронний

дводвигуневий 630 -2500 + - - +

ТП-Д або, ПЧ-АД,

редукторний,

однодвигуневий

315 -1600

- + + +

ТП-Д або, ПЧ-АД,

редукторний,

однодвигуневий

630 - 3200

- + + +

ТП-Д або, ПЧ-СД,

безредукторний 630 - 6300 - + + -

ПЧ-СД,

безредукторний більш, ніж

6300

- + + -

Переважна більшість електроприводів шахтного підйому, що

експлуатується на шахтах України, створена вітчизняними

виробниками (УкрНДІВЕ; НПФ „МІДІЕЛ”; „Донецька інжинирінгова

група”; ДАК „Донбасвуглеавтоматика”, всі - м. Донецьк;

Первомайський та Харківський електромеханічні заводи). Відомими

у світі виробниками електроприводів шахтних підйомних установок є

також фірми “ABB” (Швеція); “Siemens” (Німеччина);

“Alstom”(Франція) та деякі інші..

3.2 Улаштування і особливості функціонування установок

шахтного підйому з електроприводом постійного струму

Незважаючи на загальну тенденцію до все більшого

розповсюдження у промисловості керованих електроприводів

змінного струму, електропривод постійного струму залишається

найпоширенішим типом приводу в установках шахтного підйому

великої потужності, оскільки силові високовольтні напівпровідникові

перетворювачі частоти для двигунів змінного струму потужністю

111

більше 2000 кВт відрізняються завеликою коштовністю і, по суті, є

унікальними.

Обгрунтування прийнятного способу регулювання швидкості

двигуна постійного струму шахтного пвдйому полягає у зіставленні

відомих принципів, а саме, реостатного способу регулювання, та

регулювання кутової швидкості якоря зміною величини напруги

живлення (рис. 3.5).

Зіставлення механічних характеристик двигуна постійного

струму при регулювання кутової швидкості зміною напруги

живлення (рис. 3.5,а) та опору ланки якоря (рис. 3,5,б) з урахуванням

коливання моменту опору в діапазоні: М1<Моп<М2 вказує на те, що

обидва способи дозволяють отримувати задану величину кутової

швидкості якоря, зокрема, ω2. Однак, в разі збільшення опору ланки

якоря двигуна введенням додаткового опору Rд>0, механічна

характеристика машини втрачатиме жорсткість, що, у свою чергу,

буде обумовлювати суттєво більший діапазон Δω коливань швидкості

двигуна відповідно до коливань моменту опору у зіставленні із

способом регулювання швидкісного режиму шляхом зміни величини

напруги живлення двигуна (рис. 3.5.а). З урахуванням того, що

момент опору у шахтній підйомній машині може суттєво змінюватись

Δω

U1

U2<U1

М1 Моп М2 М

ω

ω1

ω2

0

М1 Моп М2 М

ω

ω1

ω2

0

Δω

Rд>0

Рисунок 3.5 – Зіставлення механічних характеристик двигуна постійного

струму при регулювання кутової швидкості зміною напруги живлення (а)

та опору ланки якоря (б) з урахуванням коливання моменту опору Моп

а б

112

а діаграма швидкості має бути підтримана постійною, перевага

віддається способу регулювання швидкості приводного двигуна

постійного струму шляхом зміни величини напруги живлення.

Попередні розробки систем електроприводів постійного струму

шахтних підйомів відносятся до періоду, коли силова

напівпровідникова техніка була відсутньою. Тому в якості джерела

регулюємої напруги постійного струму застосовувався

електромеханічний пристрій у складі генератора постійного струму,

додаткового двигуна, як правило, синхронного (СД) для забезпечення

руху вала генератора; пристрою регулюівання струму збудження

генератора. Це технічне рішення є основою системи Г-Д (генератор –

двигун), силова схема якої наведена на рис. 3.6). В основу роботи

схеми покладені принципові положення щодо формування величини

ЕРС генератора (Г) постійного струму (Е = сФω). Отже, за умови

дотримання постійної величини кутової швидкості якоря генератора,

велечину його ЕРС (Е) можна регулювати у широкому діапазоні

зміною магнітного потоку (Ф) - відповідною зміною струму (ІзбГ) в

обмотці збудження (ОЗГ).

Управління швидкісним режимом приводного двигуна

постійного струму (Д) полягає в формуванні такої величини струму

збудження генератора (Г), яка є функцією величини і знаку різності

ОЗГ ОЗД

Г Д

СД

Е=сФω

ІзбГ = var

-- + -- +

ІзбД

Рисунок 3.6 – Силова схема системи «генератор – двигун» шахтного

підйому постійного струму

113

між величинами заданої і фактичної швидкості приводу підйому. Ця

функція може бути реалізована різними технічними засобами.

Розглянемо особливості застосування магнітного підсилювача в

складі пристрою автоматичного управління швидкісним режимом

шахтного підйому (рис. 3.7).

Задана діаграма швидкості приводу шахтної підйомної устанвки

формується електромеханічним приладом на основі застосування

ретардуючого диска (РД). Діаграма швидкості руху підйомної судини

відтворена у формі профілю цього диску, який, обертаючись,

відхиляє рухому обмотку сельсинного командоапарату (СКА) на

пропорційний кут. Ретардуючий диск виконує повний обертовий рух

за термін циклу руху підйомної судини, або на протязі терміну

розгону приводу до номінальної швидкості. При цьому, рухома

обмотка СКА відхиляється диском (РД) на величину кута,

пропорційну заданій швидкості, і на вихідній обмотці СКА

формується пропорційна напруга. Вихідний струм СКА (що є

параметрам завдання швидкості підйому) після випрямлення

подається на обмотку управління ОУз магнітного підсилювача. З

метою компенсації відхилення фактичної швидкості руху від заданої

СКА

Редуктор Д ОУшв ОУз

BR

ОУоб

ОМПвих

РД

+

_ _

Рисунок 3.7 – Схема застосування магнітного підсилювача у складі

пристрою автоматичного упрвавління швидкісним режимом

електроприводу підйому

+

114

у зустрічному напрямі в обмотку управління ОУшв вводится струм з

виходу датчика швидкості BR.

Для обмеження прискорення і захисту підйомної машини від

перевантаження передбачений зворотний зв’язок за струмом двигуна,

реалізований як пропорційний струм в обмотці управління ОУоб.

Струм вихідної обмотки ОМПвих є функцією порівняння струмів

вказаних обмоток управління і може бути переданий на обмотку

збудження генератора (ОЗГ) безпосередньо, або через засоби

підсилення (силовий магнітний підсилювач; електромашинний

підсилювач тощо) [11].

Принцип застосування силового магнітного підсилювача

пояснюється схемою (рис. 3.8) [21]. Електроживлення обмотки

генератора здійснюється від двох силових трифазних магнітних

підсилювачів СМП1 і СМП2, з’єднаних за мостовою схемою. Їхнім

навантаженням є мостова схема з двох однакових гілок обмотки

збудження генератора (ОЗГ1) і двох баластних опорів. Для

зменшення потужності магнітних підсилювачів інша обмотка

збудження генератора (ОЗГ2) підключена на його ЕРС.

Електроживлення обмоток управління силових магнітних

підсилювачів здійснюється від проміжних магнітних підсилювачів

МП1 і МП2 з обмотками управління: ОМПз – обмотка завдання

швидкості; ОМПш – обмотка зворотного зв’язку за швидкістю;

ОМПс – обмотка струмової відсічки; ОМПст1 і ОМПст2 - обмотки

стабілізації за напругою генератора та струмом якоря. Сельсинні

командоапарати для управління рухом „вперед” (СКАВ) та „назад”

(СКАН) приводяться до руху від профільованих дисків ретардуючого

пристрою, з’єднаного через редуктор з валом підйомної машини і

формують напругу відповідної до профілю диску величини, яка

подається на обмотку ОМПз. По закінченні розгону ретардуючі диски

відключаються електромагнітною муфтою від вала підйомної

машини, що забезпечує незмінність напруги завдання швидкості

приводу.

Сельсинний командоапарат СКАР призначений для управління

підйомною машиною у ручному режимі. В цьому випадку його

вихідним положенням має бути таке, при якому вихідна напруга

СКАР буде нульовою. При автоматичному управлінні рукоятка СКАР

має бути встановлена в іншому крайньому положенні, при якому

вихідна напруга СКАР є максимальною.

115

Незважаючи на відностну простоту схеми, система управління

приводом постійного струму із застосуванням силових магнітних

підсилювачів має певні недоліки, зокрема, завелику інерційність та

низький коефіцієнт використання підсилювачів.

Обмежуючим фактором щодо підсилення струму вихідної

обмотки магнітних підсилювачів є власні підсилювальні властивості

вказаних пристроїв. Подальший розвиток систем електроприводу Г-Д

Рисунок 3.8 – Приклад застосування силових магнітних

підсилювачів в схемі управління електроприводом шахтної

підйомної машини системи Г-Д

СКАР СКАВ

СКАН ОМПз

СМП 2 СМП 1

ОЗ2

ОЗ1 ОЗГ

ОМП ст2 ОМП ст1

ОМПш ОМПс

ОЗГ 1

МП1

МП2

116

обумовлений застосуванням тиристорних (керованих) випрямлячів

для формування величини струму обмотки збудження генератора.

Відрізняючись спроможністю передавати на навантаження струм, що

перевищує 1000 А (при струмі управління у декілька сотень мА),

керований випрямляч дозволяє формувати величину струму в

обмотці збудження генератора безпосередньо у залежності від

параметру управління (наприклад, струму обмотки виходу магнітного

підсилівача, відповідно до рис. 3.7), без будь-яких проміжних засобів

підсилення (рис.3.9).

Сучасні розробки відрізняються застосуванням електронних

пристроїв реалізації розглянутої вище функції автоматичного

управління електроприводом підйому. Функціональна схема САУ

швидкості електроприводу системи Г-Д з тиристорним збудником

представлена на рис. 3.10 [2]. Основним керуючим пристроєм

підйомної машини є

виконаний єдиним

блоком тиристорний

регулятор швидкості

(ТРШ), до складу якого

входить вузол завдання

напряму руху і уставок

швидкості (ЗШ) з

обмежувачем напруги

(ОН) і функціональним

перетворювачем (ФП) на

виході, пристрій завдання

(ЗП), підсилювач (П) з

вузлом зворотних зв’язків

(ВЗ) і тиристорний

збудник генератора (ТЗГ).

Генератор (Г) і двигун (Д)

мають відповідні обмотки

збудження (ОЗГ і ОЗД).

На вхід ЗШ надходить

первинний сигнал

управління Ucк від

сельсинного

командоапарата (СКА).

ЗШ формує сигнал Uвх,

TV1

КВ1

КВ2

ОЗГ

R1 L1

L2

L3 L4

Рисунок 3. 9 – Спрощена силова схема

електроприводу Г-Д з тиристоорним

збудником на керованих випрямлячах

КВ1 і КВ2

117

полярність якого визначається заданим напрямом руху, а величина

змінюється східчасто в результаті спрацьовування поверхових

вимикачів шляхового командоапарату. Частина цього сигналу ΔUV,

що відповідає швидкості 0,2 – 0,25 м/с, надходить на вихід

підсумовуючого підсилювача (П) через обмежувач напруги (ОН).

Сигнал U’вх надходить також на вхід ФП, на виході якого формується

пропорційна напруга Uвх, що далі надходить на пристрій завдання

(ЗП).

Система передбачає можливість ручного управління підйомною

машиною під час виконання маневрових операцій. Відповідно до

цього, параметр Uвх (U’вх) формується таким чином, щоб збільшити

зону малих швидкостей по траекторії переміщення рукоятки

управління СКА і цим підвищити повільність і точність управління

машиною.

Пристрій завдання (ЗП) формує змінюваний у функції часу

сигнал UV і виконаний за схемою, яка передбачає програмне

Рисунок 3.10 – Функціональна схема САУ швидкісним режимом

електропривода постійного струму шахтного підйомку за схемою

Г-Д з тиристорним збудником

П

ТРШ

Г Д

ТЗД ТЗГ

Шляховий

командоапарат

ВЗ ЗШ

ЗП

РТ

РГІ

СКА

ОЗГ ОЗД

АСЗ

118

обмеження ривка. Сигнали ΔUV, UV, а також сигнали зворотного

зв’язку за швидкістю приводу (з виходу тахогенератора ТГ), інших

зворотних зв’язків (з виходу ВЗ) підсумовуються підсилювачем (П).

Команда на початок руху надходить в ЗШ із схеми управління і

технологічного контролю (СУТ), в якій аналізується інформація про

хід процесів розвантаження і завантаження підйомних судин..

Водночас СУТ формує команди на: розгальмування машини – через

регулятор тиску (РТ) і на збільшення збудження двигуна до

номінальної величини в тиристорний збудник ТВД, який живить

відповідну обмотку збудження ОЗД підйомного двигуна.

З метою виключення можливого ривку та короткочасного

зворотного ходу на період зрушення вводиться обмеження по

завданню швидкості і струму якоря двигуна за допомогою

герконового реле гасіння інтеграторів задатчика (РГІ), при ввімкненні

якого забезпечується UV=0 незалежно від величини сигналу Uвх і

зменшується у вузлі завдання зворотних зв’язків (ВЗ) до заданої

величини уставка струмової відсічки. Усунення обмежень доцільно

виконувати за швидкістю двигуна і за часом, оскільки фіксування

початку руху машини є найбільш достовірною інформацією про її

готовність до подальшого збільшення швидкості. Для цього

застосований чутливий підсилювач з відповідним реле на виході

(елементи апарату струмового захисту підйомного двигуна (АСЗ).

Вхід цього підсилювача є підключеним на напругу тахогенератора

(ТГ). Спрацьовування вихідного реле зазначеного підсилювача

виконується при швидкості підйомної судини 0,1-0,15 м/с,

досягнення яекої забезпечує сигнал ΔUV.

Алгоритм управління процесами при зупинці підйомної машини

полягає у наступному. Із СУТ подаються команди: в ЗШ – на

обмеження швидкості до нульового значення; у підсилювач АСЗ на

підвищення уставки відключення до 0,5 – 0,7 м/с. В разі, коли

швидкість підйомної судини зменшиться до цієї величини, реле

виходу підсилювача АСЗ відключається і цим призводить до

відповідних переключень в СУТ. В результаті ТРШ переводиться в

режим гасіння струму якоря, струм збудження двигуна суттєво

зменшується і, згодом, машина стопоріться механічним гальмом.

Подальшим кроком на шляху удосконалення електропирводу

постійного струму стало застосування системи „керований випрмляч

– двигун” (рис. 3.11).

119

Відповідно до схеми

функція регулювання

напруги живлення

ланцюга якоря

приводного двигуна

перекладена з

генератора постійного

струму (схема Г-Д) на

керований випрямляч

(тиристорний

перетворювач). Рух

двигуна (Д) в обох

напрямах

забезпечується

роботою відповідного

керованого

випрямляча (КВ1, або

КВ2). Регулювання

вихідної напруги

випрямляча

виконується фазовим

способом в діапазоні

від нуля до

номінальної, що, у свою чергу, забезпечує встановлення будь-якої

кутової швидкості якоря двигуна у межах повного швидкісного

діапазону. Система „тиристорний перетворювач – двигун” (ТП-Д)

відрізняється від схеми Г-Д підвищеною надійністю і ресурсом

(оскільки із силової частини виведені, щонайменш, два

електромеханічних пристроя – генератор постіного струму і його

синхронний двигун, а їхні функції передані стаціонарному пристрою

– керованому випрямлячу), підвищеною швидкодією

відпрацьовування керуючих команд, оскільки постійна часу

керованого випрямляча і системи його управління є значно меншою у

порівнянні з відповідними параметрами ланки генератора постійного

струму і пристроїв управління величиною його вихідної ЕРС.

TV1

КВ1

КВ2

Д

ОЗД

L1 L2

L3

L4

+

_

Рисунок 3.11 – Спрощена силова схема

системи «тиристорний перетворювач –

двигун» (ТП-Д)

120

D2 C2 D1

C1

D1

W1

W3 W2

M

TV1

ТП1 ТП2

ОЗД

ОЗД

L

M

D2

C1

Рисунок 3.12 – Послідовна (а) та паралельна (б) схеми

підключення якоря двигуна до 12-пульсного реверсуємого ТП

б

C2

121

До недоліків приводу за системою ТП-Д слід віднести

створення пульсуючого струму в мережі при значних кутах α

відпирання тиристорів ТП, що обумовлює зменшення ККД та

збільшення електричних втрат у мережі.

Має місце також суттєвий вплив на якість напруги мережі через

стрибки реактивної потужності в процесі пуску, підвищені падіння

напруги в мережі при пуску високопотужного двигуна підйому,

генерація вищих гармонік у мережу, що є негативним фактором

впливу на інші електроспоживачі.

Одним із способів усунення цих недоліків є застосування 12-

пульсної схеми випрямлячів (рис. 3.12). В цьому випадку

електропривод складається з двох 6-пульсних перетворювачів

(керованих випрямлячів), один з яких є підключеним до живлячої

обмотки трансформатора, яка з’єднана за схемою „зірка”, а інший до

обмотки, з’єднаної за схемою „трикутник”. Цим забезпечується

формування напруги на навантаженні (якорі двигуна) із фазовим

зміщенням векторів на 300.

Типовим прикладом застосування 12-пульсного перетворення є

схема перетворювача серії DCS600 виробництва концерну ABB

(Швеція) [16]. При застосуванні цього перетворювача якір

приводного двигуна постійного струму може бути підключений

послідовно між двома мостовими схемами випрямлячів (рис. 3.12, а),

або бути приєднаний до них відповідно до паралельної конфігурації

із застосуванням Т-подібного дроселя (рис. 3.12,б).

3.3 Улаштування і особливості функціонування установок

шахтного підйому з частотно-керованими двигунами

Принципи управління швидкісними параметрами підйомних

машин шляхом регулювання частоти напруги живлення двигунів

реалізовані в схемах частотно-керованих асинхронних та синхронних

приводів. Ефективним технічним рішенням є розроблений НПФ

«МІДІЕЛ» (Україна) частотно керований електропривод на основі

застосування перетворювача частоти серії ACS 800 фірми “Asea

Brown Boveri” (ABB, Швеція). Цей привод має мотужність 2800 кВт

при номінальній лінійній напрузі мережі 660 В [2; 20].

В приводі застосований перетворювач частоти типової схеми - з

ланкою постійного струму, що вміщує некерований мостовий

122

випрямляч, контур постійного струму та інвертор (рис. 3.13). У

залежності від модифікації схема інвертора може бути виконана на:

- керованих тиристорах (GTO – Gate-Turn Off Thyristor);

- біполярних керованих транзисторах з відкритим затвором

(IGBT – Insolated Gate Bipolar Transistor);

- інтегрованих керованих тиристорах (IGCT – Integrated Gate

Thyristor).

Відмінною особливістю перетворювача ACS 800 є функція

безпосереднього управління моментом двигуна (DTC – Direct Torque

Control). Таким чином, параметрами двигуна, що підпадають під

регулювання в процесі роботи перетворювача, є магнітний потік

статора та обертовий момент. Це дає можливість створювати

максимальний початковий обертовий момент і керувати його

величиною. В процесі роботи магнітний потік асинхронного двигуна

автоматично адаптується щодо навантаження. На інтервалах

формування півхвиль трифазної системи напруг регульованої частоти

на виході перетворювача групи задіяних силових напівпровідникових

приладів інвертора не мають фіксованої частоти (програми)

переключень, тобто комутуються не відповідно до режиму широтно-

імпульсної модуляції (ШІМ). Такі переключення силових

напівпровідників є незалежно визначеними і відбуваються тільки в

разі необхідності (за умови підтримання заданого моменту двигуна в

процесі частотного регулювання його кутової швидкості). Висока

швидкодія DTC забезпечує відповідно високу точність підтримання

заданої частоти обертання вала двигуна без застосування зворотного

зв’язку за параметром швидкості. Блок-схема безпосереднього

управління моментом асинхронного двигуна при частотному

регулюванні (DTC) наведена на рис. 3.14.

У світовій практиці відомі приклади застосування

безредукторного електроприводу змінного струму за системою

„перетворювач частоти – синхронний двигун” (ПЧ-СД) [2;20]. В

системі управління електроприводом передбачені функції

регулювання магнітного потоку для забезпечення необхідного

режиму тиристорного збудника, що живить обмотку збудження

синхронного двигуна.

В процесі регулювання швидкості СД як і стосовно до АД при

частотному регулювання мають бути виконані умови постійного

відношення величини напруги статора до її частоти (U/f = const).

Однак, застосування СД відрізняється постійністю кутової швидкості

123

ротора у широкому діапазоні навантажень, що спрощує стабілізацію

швидкості приводу при зміні навантаження. Це дозволяє уникати

замкнених систем автоматичного регулювання швидкісного режиму

приводу і застосовуваати виключно розімкнені системи управління

швидкістю приводу шляхом регулювання напруги і частоти на виході

перетворювача.

Силова схема електроприводу шахтного підйому системи ПЧ-

СД, реалізованого ВАТ „Электропривод” (Російська Федерація) із

використанням обладнання фірми „Siemens”, наведена на рис. 3.15.

Електроживлення статорних обмоток СД здійснюється від

безпосереднього перетворювача частоти (БПЧ), виконаного за 12-

пульсною схемою з приєднанням перетворювальних тиристорних

секцій БПЧ1 і БПЧ2 до вихідних обмоток відповідних

трансформаторів TV1 i TV2. Формування постійного струму в

обмотці збудження СД здійснюється від трансформатора TV3 і

керованого випрямляча КВ. В процесі роботи кожна з обмоток

статора шинним комутатором (КШ) підключена до окремої

тиристорної секції.

Безпосередній перетворювач частоти, відрізняючись відносно

спрощеною схемою, має певні недоліки, а саме:

-обмеження максимального рівня вихідної частоти напруги;

Рисунок 3.13 – Силова схема

ПЧ на базі GTO (а) та схема

інвертора на IGBT (б)

а

б

М

М

випрямляч інвертор

ланка

постій

ного

стр

ум

у

TV

+

_

124

- низький коефіцієнт потужності;

- викривлення форми кривої напруги живлячої мережі через

генерацію широкого спектру гармонік;

- необхідність застосування додаткових фільтро-компенсуючих

пристроїв.

Тому перевага віддається застосуванню перетворювачів частоти

з ланкою постійного струму з функцією безпосереднього управління

обертовиим моментом двигуна, які описані вище.

Загальні переваги електроприводу системи ПЧ-СД є

наступними:

- СД відрізняється значно меншою матеріалоємністю (мідь,

трансформаторна сталь) у порівнянні з машиною постійного струму;

Інвертор

= ~

Дійсна

частота

обертання

Контролер заданого потоку

Контролер заданого моменту

Компаратор потоку

Компаратор моменту

Блок комутаторів

Математична модель двигуна

Сигнали помилки:

момент, потік.

Сигнал управління Завдання

Ввімкн. / відкл.

Випрямляч

~ =

Контур частоти обертання Контур моменту

Комутація

Нап-

руга

Струм

статора

Рисунок 3.14 – Блок-схема безпосереднього

управління моментом (DTC) в частотно-керованому

електроприводі підйомної машини

Двигун

125

- відсутність колектора — важливий фактор забезпечення

високої надійності двигуна і зменшення трудоємності

обслуговування;

- підвищена перевантажувальна спроможність СД у порівнянні

з АД і машинами постійного струму;

- забезпечення діапазону регулювання швидкості до 100:1 без

пульсацій моменту;

- більш високий середній ККД привода (0,94 проти 0,89

двигуна постійного струму);

- можливість інтегрального виконання, коли статор і ротор

двигуна розміщуються у внутрішньому об’ємі органу навивки канату

підйомної машини.

Рисунок 3.15 – Однолінійна схема електроприводу шахтної підйомної

установки за системою ПЧ-СД [2]

CД

БПЧ1 БПЧ2

TV1 TV2

TV3

КВ

126

3.4 Улаштування і особливості функціонування установок

шахтного підйому при застосуванні асинхронних двигунів з

фазним ротором

Асинхронний електропривод підйомних машин на основі

застосування двигунів з фазним ротором є достатньо поширеним на

підприємствах гірничої промисловості. Управління швидкісним

режимом у такому приводі, як правило, виконується застосуванням

реостатного, або каскадного способів регулювання. У свою чергу, в

практиці побудови і експлуатації електроприводів з асинхронними

двигунами з фазним ротором потужністю 250 кВт включно, є

поширеним застосування рідинних реостатів (рис. 3.16) з повільним

регулюванням роторних опорів двигуна і, відповідно, повільним

переміщенням його з похилих на більш жорсткі механічні

характеристики із подальшим виходом на природну механічну

характеристику шляхом підключення короткозамикача фаз ротора

(рис 3.17).

11 12

7 8 9 10

4

5

6 3

2

1

13

Рисунок 3.16 – Схема улаштування рідинного реостату ВЖР-350

1 – електроліт; 2 – кінці рухомих електродів (4); 3 – бак реостату;

5 – струмоведучі шпильки; 6 – гнучкий електричний зв’язок; 7 – насос;

8, 9 – електродвигуни; 10 – вентилятор; 11 – дифузор;

12 – теплообмінник; 13 - трубопровід

127

Обладнання рідинного реостату передбачає застосування

додаткових допоміжних електромеханічних пристроїв переміщення

ножів реостату, охолодження електроліту (насос і вентилятор,

відповідно). Все це є факторами, які зменшують показники надійності

та ресурсу електропирводу з рідинними реостатами.

Реостатний принцип управління із застосуванням рідинного

реостату реалізується стосовно до електроприводів шахтнгих

підземних підйомних машин (однокінцевих відкаток) при завданні

швидкісного режиму електроприводу вручну. Варіант схеми

управління асинхронним електроприводом при застосуванні

керуючого електродвигуна постійного струму (М2) наведений на рис.

3.18 [11]. Електроди реостату ВЖР переміщуються двигуном М2,

який діє через малоінерційний редуктор (Р). принцип

відпрацьовування керуючої команди машиніста підйому при ручному

управлінні може бути розглянутий на прикладі застосування

магнітного підсилювача в якості пристрою управління. В складі

магнітного підсилювача передбачені чотири обмотки управління ОУ1

– ОУ4, де обмотка ОУ3 виконує функцію зміщення МП на робочу

частину характеристики. Пристроєм збудження двигуна М2 є

обмотка LM2. Обмотки управління ОУ1 і ОУ2 підключені до виходів

сельсинних командоапаратів через випрямлячі В1 та В2 і створюють

зустрічну спрямованість магнітних сил, так що за умови рівних

струмів у цих обмотках, напруга на виході МП дорівнюватиме нулю.

Рисунок 3.17 - Механічні

характеристики асинхронного

двигуна з фазним ротором

при управлінні швидкісним

режимом за допомогою

рідинного реостату

1 – природна статична

характеристика двигуна;

2 – статична

характеристика робочого

органу машини;

3 – пускова характеристика

двигуна 0

ω0

М

1

2

3

128

За наявності переміщення рукоятки управління РУ на виході СКА1 і

в обмотці ОУ1 з’являється струм, величина якого є відмінною від

струму в обмотці ОУ2, що призводить до появи напруги на виході

МП, руху якоря двигуна М2 з відповідною кутовою швидкістю і

переміщення ножів реостату ВЖР. В процесі руху ножів реостату

відбувається відповідне переміщення рухомої обмотки СКА2, що, у

свою чергу, змінює величину струму в обмотці ОУ2 зменшуючи

різницю між струмами в зазначених обмотках управління. У міру

зменшення цієї різниці величин струмів зменшується вихідна напруга

МП і, відповідно, швидкість руху двигуна М2 та переміщення ножів

реостату ВЖР. Процес цього руху закінчується за умови повернення

МП до стану рівності величин струмів в обмотках управління ОУ1 і

ОУ2.

Для обмеження руху ножів реостату поза припустимі межі

передбачені кінцеві вимикачі граничних положень SQ1 і SQ2.

Контакти кінцевих вимикачів зашунтовані діодами VD1 і VD2, що

забезпечує ввімкнення двигуна М2 в іншому напрямі руху при

розмиканні одного з кінцевих вимикачів.

МП

СКА2 СКА1

Р

Рисунок 3.18 – Схема пристрою управління рухом ножів рідинного

реостату при ручному управлінні приводом шахтної підземної підйомної

машини

Рідинний реостат ВЖР-350

В2 В1

129

Обмотка управління ОУ4 передбачена для створення гнучкого

зворотного зв’язку за першою похідною від сигналу розузгодження,

чим забезпечуються сприятливі умови протікання перехідних

процесів.

Високовольтні асинхронні електроприводи підвищеної

потужності комплектуються групами додаткових металевих роторних

опорів, які з’єднуються за схемою „зірка”, або „трикутник” (рис. 3.19)

[2]. В процесі розгону приводу окремі групи додаткових резисторів

шунтуються ввімкненням контакторів роторної магнітної станції

(контакторами прискорення КУ). Підключення двигуна до

високовольтної мережі (6000 В) промислової частоти відбувається за

допомогою реверсорів, як правило, із вакуумними контакторами.

Реостатний електропривод на основі застосування рідинних

реостатів є неекономічним, морально застарілим, має низькі

показники надійності і ресурсу. Альтернативним рішенням є

застосування каскадного способу регулювання швидкісного режиму

приводу, який реалізується сукупністю відповідних комплектних

пристроїв управління і грунтується на застосуванні схеми

асинхронного вентильного каскаду.

На рис. 3.20 наведена структурна схема комплектного

електроприводу шахтної підземної підйомної установки [7]. Її

основними складовими є наступні комплектні вибухозахищені

пристрої управління: комплектний пристрій КУУВДП-350 для

управління ланцюгом статора асинхронного двигуна і комутації

двигунів допоміжних механізмів; перетворювач динамічного

гальмування ВПДТ-400 для створення постійного струму у двох

фазах приводного асинхронного двигуна в процесі реалізації режиму

його динамічного гальмування; перетворювальна схема асинхронного

вентильного каскаду КУУВК-350 для управління величиною

швидкості приводу.

Силова схема КУУВДП-350 вміщує блокувальний роз’єднувач,

блоки автоматичного вимикача, контактора та короткозамикача, а

також блоки реверсуючих контакторів, блоки захисту від коротких

замикань (ПМЗ), перевантаження приводного двигуна (ТЗП),

контролю опору ізоляції силового приєднання (БКІ). Ці ж блоки

захисту і контролю використовуються в складі схем шахтних

пускачів та іншої рудникової силової комутаційної та розподільчої

апаратури [4;5;22].

130

Рисунок 3.19 – Схема управління асинхронним двигуном з фазним

ротором при комутації статора реверсором з вакуумними

контакторами і з’єднанням роторних опорів у „трикутник”

6000 В

110 В, 50 Гц

380 В

131

Вибухозахищений перетворювач динамічного гальмування

ВПДТ-400 призначений для збудження постійним струмом обмоток

статора асинхронного двигуна в режимі динамічного гальмування.

Його схема містить трифазний керований (тиристорний) випрямляч.

В режимі динамічного гальмування перетворювач функціонує з

малою вихідною напругою (10-30 В постійного струму), тому для

підвищення коефіцієнта потужності у пристрої ВПДТ застосоване

несиметричне управління анодною та катодною групами

тиристорного моста. Фазовий кут управління тиристорами анодної

групи складає 0 ел. град, а кут управління тиристорами катодної

групи може змінюватися в діапазоні від 60 до 180 ел. град. [7]. ВПДТ

підтримує струм збудження статора двигуна у замкненій системі

регулювання (рис. 3.21). На вхід контура регулювання струму статора

(вихідного струму керованого випрямляча) подається сигнал,

пропорційний за величиною струмові ротора, який є результатом

роботи контура регулювання швидкості в режимі асинхронного

вентильного каскада. Параметром обмеження величини постійного

струму збудження є величина номінального діючого струму статора

двигуна.

ВПДТ- 400

КУУВК- 350

КУУВДП- 350

M BR

Рисунок 3.20 – Структура комплектного

вибухозахищеного електроприводу шахтної підземної

підйомної машини з пристроєм асинхронного

вентильного каскаду

132

Силова схема пристрою КУУВК-350 складається із підключених

послідовно діодного випрямляча, згладжуючого дроселя і

тиристорного, ведомого мережею інвертора. Цей інвертор

розрахований для підключення до мережі (або до індивідуального

трансформатора) і призначений для створення регулюємої за

величиною ЕРС, спрямованої зустрічно випрямленій напрузі ротора,

а також, для рекуперації енергії ковзання ротора у живлячу мережу у

рушійному режимі і в режимі динамічного гальмування

електродвигуна.

Для управління асинхронним каскадним електроприводом

застосована двоконтурна система підпорядкованого регулювання

швидкості електроприводу із внутрішнім контуром струму ротора

(рис. 3.22). Вона виконує автоматичне підтримання заданої швидкості

в статичних і динамічних режимах, обмеження динамічних зусиль в

кінематичних ланках механізмів шахтної підземної підйомної

машини.

Застосування каскадних схем асинхронного електропирводу

поширюється і на високовольтні одно - та дводвигуневі машини

шахтного підйому підвищеної потужності. Типовим зразком такого

технічного рішення є комплектний електропривод з підключенням

асинхронного двигуна за схемою асинхронного тиристорного каскаду

(АТК) і мікропроцесорною системою управління (рис. 2.23) [2].

BR

M

АВК

ДСР

РСВ

ДСВ

К В

Рисунок 3.21 – Структурна схема асинхронного каскадного

електроприводу в режимі динамічного гальмування двигуна

ДСР, ДСВ – відповідно, датчики струму ротора і випрямляча; АВК –

асинхронний вентильний каскад; РСВ – регулятор струму випрямляча;

КВ – керований випрямляч; М – асинхронний двигун; BR – датчик

кутової швидкості ротора двигуна

133

АТК відрізняється від АВК заміною нерегульованого діодного

випрямляча в ланцюзі ротора на тиристорний (керований) випрямляч.

Це надає електроприводу додаткові переваги за рахунок керованості

роторного перетворювача (випрямляча). Регулювання частоти

обертання двигуна виконується зміною струму у ланці постійного

струму АТК. Зміна знаку моменту двигуна здійснюється переводом

роторного і мережевого керованих випрямлячів АТК у відповідні

області роботи. Так, за умови, якщо кут управління роторного

керованого випрямляча не перевищує 900, забезпечується рушійний

режим роботи асинхронного двигуна. В іншому випадку роторний

керований випрямляч переводиться в інверторну область, що

обумовлює гальмування двигуна. Вказана керованість роторного

випрямляча забезпечує реверс моменту та швидкості двигуна без

зміни порядку чергування фаз напруги на зажимах його статора.

Мікропроцесорна система управління на програмному рівні

змінює порядок формування імпульсів управління роторним

випрямлячем у залежності від обраного напрямку обертання ротора.

Ця система підтримує заданий рівень швидкості, параметри розгону

та уповільнення електроприводу підйомної установки.

ВПДТ

КУУВДП

ДСР

РС

РШ

ТІ

M BR

Рисунок 3.22– Структурна схема асинхронного каскадного

електроприводу у рушійному режимі

ДСР - датчик струму ротора двигуна(М); АВК – асинхронний

вентильний каскад; РС – регулятор струмів мережі тиристорного

інвертора (ТІ); РШ – регулятор швидкості приводу; BR – датчик

кутової швидкості ротора двигуна

134

Система управління приводом виконана за принципом

підпорядкованого регулювання параметрів (рис. 3.24). Сигнал

Мікропро-цесорна система

управління

АТК-2

Рисунок 3.23 – Схема дводвигуневого електроприводу підйомної

машини за схемою асинхронного тиристорного каскаду

1, 2 – високовольтні вимикачі; 3,4 – реверсори; 5 – редуктор;

6 - робочий орган (барабан); 7 – підйомні судини; 8 – датчик

частоти обертання; 9, 10 – перемикачі з основного привода (АТК) на

резервний (реостатний)

8

7

7

4 3

1 2

5

6

9 10

135

завдання величини швидкості приводу ωз формується засобами

автоматичного управління, або сельсинним командоапаратом ручного

управління і порівнюється із сигналом, пропорційним фактичній

швидкості приводу, що надходить з датчика швидкості. Вихідний

сигнал регулятора швидкості (РШ) поступає на блоки виділення

модуля (ВМ) і вибору режиму роботи (ВР), який визначає величину

фазового кута управління СІФУ роторного керованого випрямляча

(РКВ). Модуль вихідного сигналу регулятора швидкості є

параметром завдання струму двигуна, який відпрацьовується

замкненою системою автоматичного регулювання струму мережевого

керованого випрямляча (МКВ).

Переваги електроприводу системи АТК у порівнянні із

резистивно-контакторним полягають у наступному: - безперервне відпрацьовування завдання швидкості (без

додаткових переключень); - відсутність втрат енергії в ланцюзі ротора і металевому

реостаті; відсутність потреби у джерелі струму для гальмового режиму;

- спрощення експлуатації за рахунок відсутності механічних елементів налаштовування.

Рисунок 3.24 – Структура системи управління електроприводом

шахтної підйомної установки за схемою асинхронного тиристорного

каскаду

РКВ МКВ

BR

СІФУ СІФУ

РШ РС

М TV

BP

ВМ

мережа мережа

136

Привод системи АТК є адаптованим до відомих резистивно-контакторних схем, які можуть залишатися у його складі і використовуватися в якості резервних.

Питання для самоконтролю

1. Якими є особливості улаштування шахтних підйомних

установок скіпового та клітьового підйому, вимоги до діаграм

швидкості роботи електроприводів шахтних підйомів?

2. Якими є рекомендовані області застосування різних систем

електроприводу шахтних підйомних установок?

3. У чому полягає улаштування і принцип дії електроприводу

постійного струму за схемою «генератор – двигун»?

4. Розкрити принцип застосування магнітного підсилювача як

елемента системи автоматичного управління приводом за

схемою «генератор – двигун»?

5. Охарактеризувати особливості системи «генератор – двигун» з

тиристорним збудником. включаючи засоби управління

швидкісним режимом.

6. Охарактеризувати особливості системи «тиристорний

перетворювач – двигун», включаючи 12-пульсні схеми

перетворення.

7. Якими є особливості улаштування частотно-керованих

електроприводів шахтного підйому із застосуванням

асинхронних та синхронних двигунів?

8. Яким є улаштування шахтних підйомних установок при

застосуванні асинхронних двигунів з фазним ротором і

реостатними схемами управління?

9. Якими є особливості схем каскадного електроприводу шахтних

підйомних установок з асинхронними двигунами?

10. Розкрити особливості побудови і принципу роботи схеми

електроприводу «асинхронний тиристорний каскад».

137

РОЗДІЛ 4

ЕЛЕКТРОПРИВОД КОНВЕЄРНОГО ТРАНСПОРТУ

Навчальною метою розділу є набуття студентами знань щодо

специфіки улаштування і експлуатації електроприводів шахтних

стрічкових і скребкових конвеєрів. Результатом засвоєння

студентами матеріалу розділу є знання особливостей улаштування

електроприводів шахтних конвеєрів, впливу окремих компонентів

приводу на його електромеханічні властивості відповідно до умов

експлуатації, принципів і технічних засобів управління уповільненим

пуском конвеєрів, перспективних напрямів удосконалення

електроприводів шахтного конвеєрного транспорту.

4.1 Особливості улаштування і експлуатації стрічкових

конвеєрів

Одними з найбільш поширених засобів транспортування

гірської маси по підземних виробках шахти та в складі поверхневих

технологічних комплексів є стрічкові конвеєри (СК). Як правило,

вони функціонують в тривалому режимі, тому їх відносять до

транспортних засобів безперервної дії.

Шахтні стрічкові конвеєри у відповідності до продуктивності,

місця розташування поділяють на магістральні та дільничні. В

залежності від напряму транспортування гірської маси розрізняють

конвеєри нахильні (транспортування з нижніх горизонтів до верхніх);

бремсбергові (транспортуванні з верхніх горизонтів до нижніх);

кваршлагові (транспортування гірської маси по горизонтальних та

малопохилих виробках). Характер траси істотно позначається на

величинах тягових зусиль (F) в СК, які, у свою чергу, обумовлюють

величину розрахункової потужності (P) двигуна приводного

барабану:

P= kз Fv10-3

/ηр, (4.1)

де kз = 1,11,15 – коефіцієнт запасу; v – швидкість руху тягового

органу конвеєра (що встановилась після розгону привода); ηр - ККД

редуктора.

138

Тягове зусилля розподіляється уздовж тягового органу і

поділяється на зусилля у набігаючій (Fнаб) та збігаючій (Fзб) гілках

конвеєрної стрічки (стосовно до приводного барабана). Приклад

епюри тягових зусиль для горизонтальної ділянки приведений на рис.

4.1,а. Приводний двигун конвеєра має бути розрахований на

подолання сили F = Fнаб – Fзб.

На діаграмі розподілу тягових зусиль розглянемо декілька

характерних точок. Точка 1 відповідає зусиллю F1 =Fзб збігаючої

гілки стрічки. Точка 2 відповідає зусиллю F2 набігаючої гілки стрічки

на натяжний барабан, яке визначається як сума зусилля в точці 1

плюс зусилля Fп.г, що йде на подолання сил опору. порожньої гілки

стрічки. Точка 3 відповідає зусиллю F3 на збігаючій гілці натяжного

барабану, яке визначається як сума зусиль на збігаючій гілці (точка 2)

і зусилля, що йде на подолання опору на натяжному барабані. Точка 4

відповідає зусиллю F4, яке дорівнює сумі зусилля F3 та зусилля Fв.г.,

що йде на подолання сил опору завантаженої гілки стрічки конвеєра.

Всі вказані зусилля визначаються відповідними формулами [23;24]:

Fп.г. = (qст+qрп)Lkоп, (4.1)

Рисунок4.1 - Епюри тягових зусиль стрічкового конвеєра з

однодвигуновим приводом (а) і з застосуванням додаткового

проміжного приводу (б)

б

V

F а

3

2 1

4

G

F V

G

139

F2 =F1 +Fп.г. , (4.2)

F3 =F2kб , (4.3)

F4 = Fнаб =F3 +Fв.г. = F3 +(qст+qрв+qв)Lkоп, (3.4)

де qст – вага 1 м конвеєрної стрічки; qрп - qрв – вага обертаючихся

частин роликів, відповідно, порожньої та завантаженої гілок

конвеєра; qв – вага вантажу, що знаходиться на 1 м. стрічки конвеєра;

L – довжина робочої ланки конвеєра (м); kоп – коефіцієнт опору руху

на прямолінійній ділянці.

У відповідності до рівняння Л. Ейлера, умовою виключення

ковзання стрічки відносно барабана конвеєра є:

F4 = Fнаб =Fзб еμα

, (4.5)

де μ - коефіцієнт зчеплення між стрічкою і барабаном; α – кут

обхвату барабана стрічкою (град.). Для конкретного конвеєра максимальне співвідношення

параметрів Fнаб та Fзб і їхні величини, як правило, регламентуються. У

загальному випадку, з урахуванням фактичного кута β нахилу

конвеєра відповідно до умов розташування у гірничій виробці сила

опору руху знаходиться з виразу [23; 25]:

Fоп= L ( kопcos β + sin β) Σq, (4.6)

де Σq загальне лінійне навантаження на 1 м довжини конвеєра.

Величина тягового зусилля знаходится у залежності від

продуктивності і довжини конвеєра. Тому для конвеєрів значної

довжини не є доцільним застосування однієї приводної станції,

оскільки це призведе до зростання зусилля у приводному барабані,

що визначатиме необхідність застосування більш важкої стрічки,

підвищення потужності приводу в цілому. Ця проблема вирішується

способом застосування проміжних електроприводів, розподілених

уздовж конвеєра (рис. 4.1,б).

Електроприводи всіх типів стрічкових конвеєрів оснащені

асинхронними двигунами. Дільничні та деякі типи магістральних

конвеєрів оснащені двигунами з короткозамкненим ротором, інша

частина магістральних конвеєрів з приводами одиничною

140

потужністю 160 250 кВт і більше, як правило, оснащена двигунами

з фазним ротором. У відповідності до типу конвеєра, в складі їхніх

приводів застосовують різні силові електричні пристрої

уповільнення пуску. Бремсбергові конвеєри, крім того, потребують

застосування пристроїв управління режимами гальмування

асинхронних двигунів. Найбільш поширеними є пристрої індукційно-

динамічного гальмування.

Основним робочим тяговим органом стрічкового конвеєра рис.

3.2. є гумово-тканева, або гумово-тросова стрічка, Довжина конвеєра

може бути від декількох десятків до сотень метрів. В умовах шахти

функціонують багатокілометрові конвеєрні лінії, до складу яких

входять декілька конвеєрів.

Привод стрічкового конвеєра складається з асинхронного

двигуна (двигунів), редуктора, одного або кількох приводних

барабанів відповідно до кінематичної схеми обведення (рис. 4.3, а),

сполучних муфт, відхиляючих барабанів, гальма і стопора (на

похилих конвеєрах), а також очищувачів, змащувальних і сигнальних

пристроїв. Тяговий орган (стрічка) конвеєрів із барабанним приводом

пересувається по роликоопорах (рис. 4.3, б). Однією з відмітних ознак

компоновки приводів є характер розташування електродвигуна щодо

подовжньої осі конвеєра (рис. 4.4). Розташування двигуна паралельно

цій осі застосовують для зменшення ширини приводу.

Найбільш прості однобарабанні приводи застосовують

переважно при невеликій необхідній потужності, при високому

коефіцієнті зчеплення стрічки з барабаном (за наявності гумового

футерування, сухої незабрудненої атмосфери та ін.), а також в деяких

випадках на похилих конвеєрах, що мають підвищене натягнення

стрічки в точці збігання з барабана.

Поряд із стрічковими у складі поверхневих технологічних

комплексів гірничих підприємств поширюється застосування

канатно-стрічкових конвеєрів, які відрізняються підвищеною до

кількох кілометрів довжиною (рис. 4.5) [27]. Принцип

транспортування матеріалу канатно-стрічковим конвеєром (КСК)

передбачає розділення транспортної і приводної функції між

стрічкою і канатами. Це забезпечує канатно-стрічковому конвеєру

ряд переваг при експлуатації, а також дає широкий вибір

альтернативних варіантів при проектуванні. Траса конвеєра може

містити горизонтальні і вертикальні повороти з малими радіусами

закруглення.

141

Ри

сун

ок 4

.2 –

Ти

по

ва

кон

стру

кц

ія ш

ахтн

ого

стр

ічко

вого

тел

ескоп

ічн

ого

кон

веє

ра

3Л

12

00

КС

П [2

6]

1 –

ро

зван

таж

увал

ьна

голо

вка;

2 –

пр

иво

д;

3 –

ро

ли

кооп

ор

и;

4 –

стр

ічка;

5 –

нат

яж

ни

й б

лок

1

2

4

3

5

142

а

б

Рисунок 4.4 – Привод конвеєра з подовжнім розташуванням двигуна (а) та

зовнішній вид конвеєрного асинхронного двигуна ВАОК355L6 з фазним

ротором (б)

1 - електродвигун; 2- редуктор; 3 - муфта; 4 - гальмовий пристрій; 5 - рама

приводу; 6 - сполучна ланцюгова муфта

Рисунок 4.3 - Варіанти схем

обведення барабанів (а)

і конструкція роликоопор (б)

шахтних стрічкових конвеєрів

б

143

Стрічка

Канати

Ролики

Рисунок 4.6 – Принцип транспортування

матеріалу канатно-стрічковим конвеєром

Зіставивши стрічковий конвеєр з канатно-стрічковим (рис. 4.5),

можна виділити ряд особливостей:

- менша металоємність конструкцій - відстань між

магістральними опорами КСК у 2-3 рази більше, ніж у стрічковому

конвеєрі;

- менша кількість частин, що обертаються, - кількість

роликоопор КСК на одиницю довжини конвеєра в 2-3 рази менше,

ніж у стрічковому конвеєрі;

- менша кількість стикувальних вузлів на канатно-стрічковому

конвеєрі ніж на стрічковому.

Рисунок 4.5 – Порівняння

канатно-стрічкового конвеєра із

стрічковим

Стрічковий конвеєр

Канатно-стрічковий конвеєр

144

Порівнюючи дані конвеєри по динамічних властивостях, можна

зробити висновок у тому, що рух стрічки КСК є рівніший, ніж у

стрічкового конвеєра. Цей рух в СК супроводжується наявністю

хвиль розподілу зусиль різної амплітуди по всій протяжності стрічки

конвеєра. У КСК тягове зусилля здійснюється не стрічкою, а

канатами (рис. 4.6), що, відповідно, значно зменшує коливання

стрічки по всій протяжності конвеєра.

До інших позитивних відмінностей КСК слід віднести:

відсутність тертя між роликоопорами і стрічкою; менші переміщення

матеріалу на стрічці при транспортуванні; збільшення припустимої

швидкості транспортування. В результаті в процесі експлуатації

спостерігається зменшені знос стрічки та енергоспоживання.

Інша важлива відмінна риса виявляється при виконанні

поворотних ділянок в горизонтальній площині (рис. 4.7). Конструкція

КСК передбачає усунення зсуву на кривих горизонтального радіусу,

що не впливає на продуктивність конвеєра. У стрічкових конвеєрах

ефективність завантаження зменшується через зсув одного краю

стрічки вгору, обумовленого різницею в натягненнях на різних краях

стрічки.

Відповідно до умов експлуатації КСК можуть мати окрім

головного електроприводу додатковий проміжний. Передача тягового

зусилля на приводні канати виконується через відповідні шківи, які

приводяться до руху асинхронними двигунами (рис. 4.8; рис. 4.9).

Рисуннок 4.7 – Динамічні відмінності на поворотних ділянках

а) поворотна ділянка канатно-стрічкового конвеєра

б) поворотна ділянка стрічкового конвеєра

а б

145

Рисунок 4.8 – Головний привод канатно-стрічкового конвеєра

канат

направляючі шкиви

приводний

шкив

натяжний шкив відхиляючі

шкиви

двигун

4 5 6 7

2 1

1 3

Рисунок 4.9 – Проміжна двоприводна станція КСК

а) фронтальний вид, б) вид зверху:

1- верхній канат; 2- нижня стрічка на канатах; 3- верхня стрічка, що

йде по роликоопорах; 4- похилий гальмівний барабан; 5- приводні

шкиви; 6- відхиляючі барабани; 7- приводний двигун

146

4.2 Застосування тиристорних регуляторів напруги в пристроях

управління пусковими режимами асинхронних електроприводів

стрічкових конвеєрів

Асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором завдяки

прийнятним експлуатаційним характеристикам (тривалий ресурс,

відносно низька коштовність, простота обслуговування) знайшли

широке поширення в системах електроприводів шахтних дільничних

та багатьох типів магістральних стрічкових конвеєрів. Однак,

використання такого двигуна в електроприводі стрічкового конвеєра

загострює проблематику його пуску. Отже, пуск асинхронного

двигуна з короткозамкненим ротором шляхом безпосереднього

(контакторного) підключення до мережі живлення відзначається

роботою цієї електричної машини на нестійкій частині механічної

характеристики з подальшим переходом на стійку (робочу)

характеристику. За цих умов швидкісний режим ротора двигуна

відзначається зростаючим його прискоренням від початку пуску до

проходження точки критичного ковзання. Таке інтенсивне

прискорення ротора двигуна і, відповідно, приводного барабана

конвеєра створює несприятливі умови щодо експлуатації конвеєрної

стрічки. Так, наявність пружної ланки, якою є конвеєрна стрічка при

інтенсивному розгоні приводного барабана веде до появи пружних

хвиль деформації, значних багаторазово повторюваних динамічних

перевантажень у тяговому органі в процесі пуску конвеєра [28]. До

1990-х років стрічкові конвеєри вітчизняного виробництва з

асинхронним приводом (АД з короткозамкненим ротором) не

комплектувались будь-якими пристроями уповільнення пуску. Отже.

саме вище вказані процеси викликали чисельні пориви конвеєрної

стрічки на інтервалі пуску (рис. 4.10), оскільки інтенсивний пуск

приводу СК супроводжується первісним натягом його набігаючої

стрічки при ослабленій збігаючій і створює передумови для

виникнення значних коливань розтяжних зусиль у стрічці.

Усунення цього недоліку обумовлює застосування засобів

силової перетворювальної техніки для управління пуском

асинхронного двигуна. Однак, технічне протиріччя полягає в

недоцільності застосування перетворювача частоти в якості пристрою

уповільнення пуску через складність і високу коштовність системи

охолодження великої кількості силових напівпровідників за умови

розташування їх у рудниковому вибухобезпечному корпусі

147

перетворювача. Більш прийнятним є використання маловентильної

силової тиристорної схеми (рис. 4.11), а саме, - трифазного

тиристорного регулятора напруги в ланці статора приводного

асинхронного двигуна. Засобами фазового регулювання (від блоку

управління (БУ), рис. 4.12) це технічне рішення дозволяє змінювати

величину діючої напруги статора двигуна в діапазоні від нуля до

номінальної і непрямим способом впливати на величину кутової

швидкості двигуна, змінюючи його електромагнітний момент Mем:

2'21

2'2

11

'2

2ф1

эм

xxS

RRS

RUmM , ( 4.1 )

де m1 – кількість фаз; Uф – фазна напруга статора R1 і X1 - активний і

індуктивний опір статора; R’2 і X’2 – приведені активний і

індуктивний опір ротора; s – ковзання ротора АД.

0

Р Vб

1c

0

0

0

Sзб1

Sзб2

Vзб2 Vзб1

Рисунок 4.10 – Осцилограми параметрів пуску стрічкового конвеєра

1Л100К-1 при безпосередньому підключенні приводного двигуна

потужністю 100 кВт до мережі:

Vб – швидкість барабана конвеєра; Vзб1 ; Vзб2 - швидкість ділянки

стрічки, збігаючої з барабана (параметри 1-го та 2-го датчиків);

Sзб1; Sзб2 – розтяжне зусилля у ділянці стрічки, збігаючої з барабана

(параметри 1-го та 2-го датчиків); P- потужність двигуна

148

Таким чином, цей процес регулювання параметрів

асинхронного двигуна може бути представлений сукупністю його

штучних механічних характеристик (рис. 1.17).

Стрічковий конвеєр є

транспортною машиною із

значним діапазоном зміни

моменту опору в залежності

від рівня завантаження

гірською масою. Ця

особливість заваджає

застосуванню розімкненої

системи упраління

тиристорами регулятора з

наперед заданим законом

зміни його вихідної

напруги в разі необхідності

створення тривалих (більше

за 3 с) інтервалів розгону привода, оскільки при коливаннях моменту

опору рухомих елементів конвеєра не буде забезпечена стабільність

тахограми його руху.

Рисунок 4.12 – Осцилограми фазних напруги (U1) і струму (I1) статора

асинхронного двигуна при фазовому регулюванні напруги живлення

(α = 90 ел. град)

Рисунок 4.11 – Типова схема

підключення ТРН до мережі статора

асинхронного двигуна

149

Тому прийнятною до реалізації є замкнена за параметром

швидкості привода одноконтурна система автоматичного управління

процесом пуску, що реалізована в тиристорному апараті АПМ-1

(розробка ДонНТУ та НДІ «Автоматгормаш», Україна) управління

пуском електропривода гірничої машини (рис. 4.13) [10; 29].

В схемі АПМ-1 реалізований принцип корекції моменту АД

шляхом зміни величини живлячої напруги промислової частоти у

залежності від величини і знаку розузгодження між заданою (блок

ЗШ) і фактичною (блок ДШ) швидкістю тягового органу конвеєра.

Швидкість реакції на розузгодження швидкісних параметрів має бути

забезпечена швидкодією датчика швидкості, який встановлюється в

редукторі конвеєра і формує імпульсний сигнал, частота якого

визначена частотою обертання першої шестерні редуктора. Апарат

здатен забезпечити керований уповільнений пуск асинхронного

електроприводу стрічкового конвеєра тривалістю до 12 с і, крім того,

створювати режим індукційно-динамічного гальмування АД

стосовно до управління приводом бремсбергового конвеєра. Останнє

КМ

ДС

ДС БЗ

ВПГ СІФУ БАУ

БДГ

БС

Рисунок 4.13 – Структурна схема аппарата АПМ-1:

ТРН – тиристорний регулятор напруги; КМ – шунтуючий контактор;

ДС, ДШ - відповідно, датчики струму та швидкості; ЗШ – задатчик

швидкісного режиму розгону приводу; БС; БЗ – відповідно, блоки

синхронізації та захистів; СІФУ - система імпульсно-фазового

управління; ВРБ – блок підсилення та гальванічної розв’язки

сигналів СІФУ; БАУ; БДГ – відповідно, блоки автоматичного

управління та індукційно-динамічного гальмування двигуна приводу

конвеєра

ЗШ ДШ ТРН

VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6

VS7

150

забезпечується спільною роботою тиристорів VS2; VS3; VS7 (рис.

4.13).

Застосування контактора КМ в схемі АПМ-1 дозволяє

відключати тиристори ТРН після завершення розгону конвеєра і в

подальшому здійснювати електроживлення двигуна конвеєра через

цей контактор. Це сприяє нормалізації теплового режиму тиристорів

в умовах розташування у рудниковому вибухозахищеному корпусі

(рис. 4.14).

Зіставлення осцилограм контакторного (рис. 4.10) і керованого

(рис. 4.15) пуску приводу конвеєра [28] показує, що безпосереднє

підключення АД до мережі супроводжується значними коливаннями

розтягуючих зусиль (Sзб) у ділянці конвеєрної стрічки, що збігає з

приводного барабану, різкими перепадами її швидкості (Vзб) - від –

0,27 м/с (уповільнення) до + 0,6 м/с (прискорення) при величині

прискорення 0,71 м/с2. Розтягуючі зусилля в збігаючій частині

стрічки перевищували в 1,75-2,1 разу зусилля сталого режиму при

номінальному навантаженні конвеєра. Керований пуск конвеєра

реалізований при прискоренні стрічки 0,173 м/с2. Приріст

розтягуючого зусилля в збігаючій гілці стрічки відрізняється малою

інтенсивністю.

Рисунок 4.14 – Зовнішній вид (а) апарата АПМ-1 (виробництво –

Макіївский завод шахтної автоматики, Україна) і компоновка

регулятора напруги в складі тиристорного модуля дослідного зразку

цього апарата (б)

а б

151

Обмежуючим фактором при застосуванні апарата АПМ-1 є

підвищена величина споживаного струму на інтервалі розгону

двигуна. Тому в схемі АПМ-1 введені: обмеження на кількість

повторних пусків приводу; фіксований інтервал між двома

наступними один за одним пусками.

Застосування пристроїв уповільнення пуску електроприводів

стрічкових конвеєрів цілком узгоджується з алгоритмом роботи

відомих систем управління шахтними конвеєрними лініями, таких, як

АУК-1М; АУК-2М; САУКЛ; APD-1 і т.п. [9;30;31], оскільки

тривалість уповільненого розгону приводу стрічкового конвеєра не

перевищує витримки часу на спрацьовування захисту від

пробуксовки конвеєрної стрічки.

Якщо згідно з технологією ведення робіт відсутні жорсткі

вимоги щодо виконання заданої діаграми швидкості розгону

приводного двигуна, в якості пристрою керування уповільненим

пуском може бути застосований пристрій системи «soft-start», що

містить розімкнену систему управління величиною вихідної напруги

промислової частоти тиристорного регулятора (апарати КУВПП-

250М (розробка УкрНДІВЕ, рис. 4.16) [14]; УВППД-315 (розробка

ВАТ «Донецький електротехнічний завод») і т.п. В процесі розгону

Рисунок 4.15 - Осцилограми параметрів керованого пуску

стрічкового конвеєра 1Л100К-1 при застосуванні апарата АПМ-1:

Vб – швидкість барабана конвеєра; Vзб1 ; Vзб2 - швидкість ділянки

стрічки, збігаючої з барабана (параметри 1-го та 2-го датчиків);

Sзб1; Sзб2 – розтяжне зусилля у ділянці стрічки, збігаючої з барабана

(параметри 1-го та 2-го датчиків); P- потужність двигуна

Р Vб

1c

0

0

0

0

0

Vзб2

Sзб2 Vзб1

Sзб1

152

двигун тривалий час знаходиться під дією зменшеної напруги і

розвиває зменшений електромагнітний момент.

Цим обумовлені низький динамічний момент приводу і

підвищений термін роботи двигуна на малих кутових швидкостях

(рис. 4.17). У цей термін двигун споживає підвищений струм, що є

обмеженням щодо тривалості пуску і кількості послідовних пусків

двигуна. Іншим обмеженням є неспроможність системи soft-start

забезпечити незмінність діаграми швидкості при розгоні двигуна у

разі коливань моменту опору приводу. Тому прийнятним є термін

ПУСК / СТОП

КМ2

КМ1

ДС

ДС

ТРН

а

б

Рисунок 4.16 – Спрощена структурна

схема (а) і загальний вид (б) пристрою

повільного пуску «soft-start» типу

КУВПП-250 УХЛ5

ДС – датчики струму, КМ – контактори;

БКЗ – блок комплексного захисту; МБУ –

мікропроцесорний блок управління;

ТРН – тиристорний регулятор напруги

Рисунок 4.17 – Осцилограми струму і

тахограми розгону електродвигуна

ЕКВЖ 3,5 потужністю 220 кВт.

Термін розгону – 14 с;

початкова напруга виходу ТРН –

0,3 від номінальної; величина

номінального струму I – 250 А

І ω

0

t

153

повільного пуску асинхронного двигуна від системи «soft-start», який

не перевищує 3 – 5 с.

4.3 Улаштування і особливості експлуатації асинхронних

електроприводів конвеєрів з реостатними схемами управління

Певні типи магістральних стрічкових конвеєрів відрізняються

значною протяжністю (кілька сотень метрів) та шириною конвеєрної

стрічки (1200 мм). Це обумовлює велику пружність тягового органу і

завеликі динамічні перевантаження в елементах приводу і,

безпосередньо, у самій стрічці в разі прискореного розгону

приводного барабану. Умовою безаварійної експлуатації таких

конвеєрів є застосування пристроїв уповільнення пуску.

Найпоширенішим у гірничій промисловості є принцип реостатного

управління приводом під час розгону за умови застосування в якості

приводного - асинхронного двигуна з фазним ротором.

В основу цього способу покладений ефект збільшення

критичного ковзання асинхронного двигуна при незмінному

критичному моменті відповідно до збільшення активного опору в

мережі ротора двигуна. Це дозволяє розпочинати пуск конвеєра

повністю на стійкій штучній механічній характеристиці приводного

асинхронного двигуна, за умови, що його критичне ковзання Sкр = 1.

В цьому разі пусковий момент двигуна збільшується до величини

критичного моменту. Підвищення швидкості приводу здійснюється

поступовим зменшенням величини додаткових опорів ротора R1; R2;

R3 в діапазоні зміни моменту двигуна від М2 до М1 (рис. 4.18,а) з

відповідним переводом двигуна зі штучних на природну (ПМХ)

механічну характеристику. Застосування трифазного рідинного

реостату (рис. 4.18,б) дозволяє величини додаткових опорів ротора в

процесі пуску двигуна зменшувати повільно шляхом поступового

заглиблення металевих опорів реостата в електроліт.

Схемотехніка приводу стрічкового конвеєра з реостатним

регулюванням в принципі не відрізняється від схемотехніки

аналогічного приводу однокінцевої відкатки і базується на

використанні у мережі ротора асинхронного двигуна скриньок опорів

вибухобезпечних серії ЯСВ послідовно з’єднаних із ножами рідинних

реостатів серії ВЖР (рис. 4.18).

Програма уповільненого пуску електроприводу конвеєра

виконується відповідною станцією управління, контактори якої

154

підключають до мережі статор приводного двигуна, комутують

гальмові електромагніти та електромагніти храпового гальма, також

підключають додаткові асинхронні двигуни приводу ножів реостата,

насоса та вентилятора системи охолодження електроліту ВЖР

[9;11;24]. По закінченні заглиблення ножів ВЖР в електроліт

рідинний реостат виводиться з роботи ввімкненням короткозамикача

К1-К3, яким комплектується ЯСВ. При цьому опори ЯСВ будуть

підключені до ланцюга ротора АД, забезпечуючи зм'якшення його

механічної характеристики і підвищуючи рівномірність розподілу

навантажень між двигунами конвеєра в разі застосування

багатодвигуневого привода. За необхідністю може бути застосований

окремий короткозамикач (серії БКЗВ), наприклад, в разі необхідності

переводу асинхронного двигуна на природну механічну

характеристику (ПМХ) шляхом замикання зовнішніх виводів

обмотки ротора.

Управління приводом реостату здійснюється без зворотного

зв’язку за швидкістю. Відрізняючись простотою реалізації, така

система управління, не дозволяє стабілізувати діаграму швидкості

ВЖР

R1

R2

R3

R1

R1+R2

ПМХ М

М

ПМХ

б а

Рисунок 4.18 – Зіставлення силових схем і механічних характеристик

реостатних схем управління швидкісними режимами асинхронного

двигуна (М):

а – контакторне переключення груп додаткових роторних резисторів

(R1;R2;R3);

б – повільна зміна величини додаткового роторного опору рідинного

реостату (ВЖР)

Моп М1 М2

Моп Сімейство штучних механічних характеристик АД

155

розгону рухомих елементів приводу при коливаннях моменту опору

робочого органу конвеєра.

Розглянутий спосіб реостатного управління уповільненням

пуску шахтного стрічкового конвеєра відноситься до енергоємних

(енергія ковзання ротора АД витрачається на нагрів додаткових

активних опорів ротора). Крім того, застосування електромеханічних

і контакторних пристроїв для управління елементами ВЖР є

фактором суттєвого зменшення надійності електроприводу в цілому.

Специфічні особливості прояву гірського тиску в шахті обумовлюють

необхідність коштовного бетонування спеціальної камери для

розташування ВЖР і, зокрема, горизонтальної площадки для

вертикального розміщення бака ножів реостатів. Сам електроліт є

агресивною речовиною і в процесі застосування псує поверхню

рухомих ножів ВЖР, змінюючи параметри додаткового роторного

опору АД. Це обумовлює нестабільність діаграми швидкості

приводу і асиметрію фазних струмів двигуна. До асиметрії фазних

СУВ-1Л-100 (СУВ-2Л-120)

250 А

10 А

25 А

25 А реверс

25 А

25 А

Гальмові електро-магніти

Електро-магніти храпового гальма аба пристрою натягу стрічки

Асинхронні двигуни насоса і вентилятора системи охолодження електролиту ВЖР

Асинхронний двигун приводу переміщення ножів ВЖР

Рисунок 4.19 – Схема підключення реостатного електроприводу

стрічкового конвеєра до станції управління СУВ-1Л-100 (СУВ-2Л-120)

ЯСВ К1- К3

ВЖР

156

струмів АД може призвести неоднаковість окремих додаткових

роторних опорів при підключенні останніх до фаз ротору двигуна, що

є вірогідним фактором через природний розкид опорів резисторів,

наявність опорів болтових з’єднань, кабелів (шин) приєднання і т.п.

Більш функціональною є схема пристрою УПТФ (виробництва

АТ «Estel-plus», Естонія) для управління уповільненням пуску

асинхронного електроприводу стрічкового конвеєра поверхневого

технологічного комплексу (рис. 4.20) [24;32]. Застосування загальної

збірки додаткових роторних резисторів R1-R4 на виході керованого

випрямляча VS1 – VS6 дозволяє підтримувати симетрію фазних

роторних струмів двигуна незважаючи на параметри самих

резисторів та елементів їх приєднання. Шунтування цих резисторів

послідовною комутацією тиристорних ключів VS7; VS8; VS9 у міру

розгону двигуна відрізняється високою швидкодією і не

супроводжується електричними дугами. Використання силових

напівпровідникових елементів в якості комутаційних (ключів) замість

рухомих контакторних елементів суттєво підвищує надійність

пристрою.

На інтервалах переходу на більш жорсткі статичні механічні

характеристики у міру підвищення кутової швидкості ротора двигуна

Блок синхронізації і

захисту ротора

До зовнішніх ланцюгів

автоматики і захисту двигуна

N 3 х 380 В (3 х 220 В)

Блок

живлення

Блок регулювання, реле, автоматики

R1-R4

КМ

До ротора АД

VS7

VS9

VS8

VS1-VS6

ТА

ТА

Блок управління і

логіки

Рисунок 4.20 – Структурна схема пристрою управління уповільненням

пуску стрічкового конвеєра (УПТФ) на основі застосування реостатної

схеми і тиристорного регулятора роторного струму

157

(в напрямі 1 – 2 - ... – 5, рис. 4.21) стабілізація заданої діаграми

наростання швидкості приводу забезпечується фазовим

регулюванням тиристорів випрямляча (VS1 – VS6). Цим створюється

функція корекції швидкості приводу шляхом відповідної зміни

електромагнітного моменту двигуна через регулювання величини

його роторного струму.

Характерною особливістю щодо застосування принципу

фазового управління в ланцюзі тиристорного регулювання

величиною роторного струму асинхронного двигуна є нестабільність

частоти трифазної роторної ЕРС. В процесі пуску двигуна ця частота

зменшується від промислової (50 Гц) до 1,5 Гц – 2,5 Гц (у залежності

від номінального ковзання ротора двигуна). Це створює неможливі

умови застосування схем СІФУ, розрахованих на незмінну частоту

синхронізуючого сигналу. Таке технічне протиріччя має бути усунене

спеціальною схемою СІФУ, адаптованою до відповідного діапазону

зміни частоти вхідної (синхронізуючої) напруги.

На рис 4.22 представлена діаграма напруг одного каналу

шестиканальної СІФУ, призначеної для управління тиристорним

регулятором роторного струму [8; 33]. Формування стабільного

відношення кута α (фазової затримки на ввімкнення тиристорів

випрямляча в мережі ротора АД) до величини періоду ЕРС ротора

ТЕРС відповідної фази (Ur) у даному випадку забезпечується шляхом

Рисунок 4.21 – Пускова

диаграма електропривода з

викорисанням пристрою

УПТФ:

1, 2,..., 5 – статичні

механічні характеристики;

a-b-c-d-…-m-n-ωc -

динамічна характеристика

ωc

158

порівняння сигналу (U3), пропорційного за величиною терміну

періоду Ur із сигналом (U4), величина якого є пропорційною до

терміну півхвилі відповідного періоду Ur. Регулювання величини

кута заданого α забезпечується відповідною зміною нахилу імпульсу

U3. Вказана функція стабілізації відношення α/ТЕРС може бути

здійснена і в іншій спосіб, але вона є необхідною для виконання

процесу фазового регулювання роторного струму двигуна.

Досвід експериментальних досліджень свідчить, що стосовно до

електроприводів шахтних стрічкових конвеєрів силова схема (рис.

4.21) може бути суттєво спрощена, оскільки достатньою є функція

регулювання роторного струму двигуна при застосуванні одного

струмообмежуючого резистора в загальній ланці роторного струму.

Цим вимогам відповідає структурна схема (рис. 4.23). Блок

управління режимами (БУР) здійснює підключення двигуна до

мережі (контактором КМ1), перевод двигуна на природну механічну

характеристику (вмиканням короткозамикача БКЗВ) після закінчення

етапу розгону і формує сигнал дозволу на роботу блока завдання

діаграми швидкості розгону двигуна (БЗШ). Структура системи

автоматичного управління розгоном передбачає застосування

Рисунок 4.22 – Діаграма напруг каналу СІФУ для керування тиристорним

регулятором фазних струмів в мережі нестійкої частоти

α α

Ur ТЕРС

159

одноконтурної схеми із зворотним зв’язком за швидкістю приводу, де

сигнал розузгодження між фактичним і заданим параметром

швидкості є фактором впливу на формувач опорної напруги (ФОН),

яка має подаватися на СІФУ і визначати відповідну величину

заданого кута α. З метою стабілізації відношення α/ТЕРС вихідна

напруга ФОН (з урахуванням особливостей схеми СІФУ) може

піддаватися корекції відповідно до величини кутової швидкості

двигуна (що є непрямим показником величини періоду роторного

струму ТЕРС).

Окрім реостатних, в електроприводах розглянутих вище

конвеєрів можуть бути також застосовані пристрої асинхронного

вентильного каскаду для управління швидкісним режимом приводу

під час пуску. Улаштування технічних засобів АВК, як правило, не

містить принципових відмінностей від аналогічних схем, що

застосовані для управління електроприводами підземних підйомних

машин (однокінцевих відкаток) і розглянуті в розділі 3.

БУР КМ1

СІФУ

R1 ТРРС БКЗВ

ФОН БЗШ

БС

ДШ

Приводний блок

Рисунок 4.23 - Структурна схема пристрою автоматичного управління

електроприводом стрічкового конвеєра з тиристорним регулятором

роторного струму

160

4.4 Улаштування і особливості експлуатації електроприводів

скребкових конвеєрів

Скребковий конвеєр - основний транспортний засіб у очисному

вибої шахти. Він може мати один або два електроприводи 1 на

одному, або обох кінцях рештачного ставу 2 (рис.4.24). Кожен його

привод містить від одного до двох приводних блоків 3. До складу

приводного блоку входять з'єднані послідовно асинхронний двигун з

короткозамкненим ротором 4, гідромуфта 5 і редуктор 6. Як правило,

приводні блоки скребкових конвеєрів вітчизняного виробництва

оснащені триступеневими редукторами. Однак, у світовій практиці є

досвід використання планетарних редукторів, які відрізняються

підвищеним ресурсом і дозволяють у габариті звичайного редуктора

передавати у двічи більший момент. Основним призначенням

гідромуфти є забезпечення повільності пуску електропривода

конвеєра, захист скребкового ланцюга 7 від пориву при cтопорінні.

Експлуатація скребкового конвеєра відрізняється наявністю

значних моментів опору, що змінюються в широкому діапазоні і є

суттєво збільшеними на початку руху скребкового ланцюга.

Коефіцієнт тертя, який обумовлює величину моменту опору тягового

органу (kт.) залежить від конструкції конвеєра, виду вантажу, що

транспортується, його вологості та крупності і функцією швидкості

руху (v) скребкового ланцюга: kт. = 0,62-0,2v2 + 0,07v

3 [13].

Одноприводний скребковий конвеєр можна представити як

систему з двома зосередженими масами: маса m1 – приведена маса

1

3

4 6

3

2 1 5

7

Рисунок 4.24 – Улаштування скребкового конвеєра СП-202М

161

тягового органу і приєднаного до нього вантажу; m2 – приведена маса

ротора двигуна і елементів передачі (рис. 4.25) [25].

Пуск скребкового

конвеєра можна умовно

розділити на три етапи.

На першому етапі

відбувається

прискорений рух ротора

двигуна та елементів

трансмісії за рахунок

зазорів у передачі.

Кутова швидкість ротора двигуна наприкінці цього етапу (за умови

рівноприскореного руху) описується рівнянням:

mF

vдв

2

0

1

2 , (4.2)

де ψ0 – сумарний приведений зазор у системі, що складається із

зазорів у зубчастих передачах, шліцьових та шпонкових з’єднаннях,

зазору між зубцями приводної зірочки та тяговим органом; Fдв –

зусилля, що розвивається двигуном за рахунок електромагнітного

моменту.

На цьому етапі за наявності значних зазорів у трансмісії, в ній

виникають ударні навантаження, викликані змінною складовою

електромагнітного моменту двигуна.

На другому етапі відбувається рух ротора двигуна за наявності

пружної деформації трансмісії і тягового органа до моменту, коли

пускове зусилля зрівняється із зусиллям статичних опорів.

Збільшення кутової швидкості ротора визначається рівнянням:

0Fcxdt

xdm дв22

22

2 , (4.3)

що інтегрується при початкових умовах:

1

0t

2

0t2 vdt

dx;0x

, (4.4)

де х2 – переміщення маси m2; с – приведена жорсткість трансмісії і

тягового органу.

Третій етап пуску є завершальним. На цьому етапі рух тягового

органу описується системою рівнянь:

Рисунок 4.25– Розрахункова схема процесу

пуску скребкового конвеєра

162

дв212

22

2

сопр212

12

1

F)xx(cdt

xdm

0F)xx(cdt

xdm

, (4.5),

де х1 – переміщення маси m1; Fсопр – зусилля опору переміщення

тягового органа.

Інтенсивність розгону тягового органу конвеєра при пуску

обумовлена параметрами приводів, величинами опорів руху, що

нелінійно зменшуються зі збільшенням швидкості руху скребкового

ланцюга і характеризується значними прискореннями рухомих

елементів приводу.

Функціональним елементом приводу конвеєра, спеціально

призначеним для уповільнення розгону, є гідромуфта (рис. 4.26). Її

оребрені насосне та турбінне колеса встановлюються, відповідно, на

вал асинхронного двигуна і вхідний вал редуктора. Проміжок між

колесами в корпусі муфти заповнений рідиною. Отже, насосне

колесо, обертаючись зі швидкістю вала двигуна призводить до

кутового руху рідини, яка, у свою чергу діє на турбінне колесо,

передаючи на нього обертовий момент двигуна. Встановлені

особливості впливу гідромуфти на динаміку пуску електроприводу

скребкового конвеєра пояснюються її механічною характеристикою

(рис. 4.27) [25; 34]:

Мт = а1vy2 + a2vнvт + а3vт

2, (4.6)

де а1, а2, а3 - постійні для окремих зон сімейства механічних

характеристик; Мт - момент на валу турбінного колеса гідромуфти;

vн, vт - кутові швидкості насосного та турбінного коліс.

Близький до номінального момент на валу турбінного колеса

гідромуфти в процесі пуску може бути отриманий при кутовій

швидкості насосного колеса, близькій до номінальної. Отже, на

початку пуску двигун конвеєра розганяється майже без

навантаження, а наприкінці розгону ротора рух ривком передається

до скребкового ланцюга, що є фактором підвищення динамічних

навантажень в трансмісії конвеєра.

Різке гальмування, викликане раптовим стопорінням тягового

органу, є найбільш небезпечним режимом роботи конвеєра, оскільки

його рухомі елементи, окрім статичних сил, що розвиваються

163

двигуном за рахунок електромагнітного моменту, знаходяться під

впливом динамічних сил, викликаних уповільненням рухомих мас.

За умови, що стопоріння тягового органа відбувається миттєво

(перетин, що заклинило, залишається нерухомим), та в разі

зневаження масою заклиненої ділянки тягового органу і пружністю

трансмісії, тобто вважаючи, що маса частин приводу, що рухаються, є

зосередженою в одній точці, модель конвеєра, матиме вид відповідно

Рисунок 4.26 – Конструкція

гідромуфти ГПЭ-480

1- ведуча півмуфта; 2 – гумова

прокладка; 3, 4 – відповідно, -насосне і

турбінне колеса; 5 – шліцьова ступиця;

6 – корпус; 7,8 – підшипники;

9 – гумова манжета; 10 – захисна

плавка пробка; 11 – мембрана

аварійного захисту від

перевантаження приводу

Рисунок 4.27 Сукупність механічних

характеристик гідромуфти 1- робоча;

2- пускова;

3- при роботі на стопоріння

vн

Мт

164

до рисунка 4.28. Характер руху конвеєра і величини виникаючих

зусиль після стопоріння визначаються в часі пружною деформацією u

заклиненої ділянки тягового органа довжиною l як невагомого

пружного тіла з твердістю с = E0/l [25]:

0)v(Fcudt

udm дв2

2

, (4.7)

де m – сумарна приведена маса приводу; Fдв – зусилля в

тяговому органі, що

розвивається двигуном за

рахунок електромагнітного

моменту; v – швидкість

маси приводу.

Визначення

максимального зусилля в

тяговому органі, що

розвивається двигуном за

рахунок електромагнітного

моменту при стопорінні скребкового ланцюга виконується за

формулою: [25]:

2нкр0крmax cmv)FF(FF , (4.8)

де Fкр - зусилля, при критичному моменті двигуна; F0 -зусилля, що

розвивається двигуном на початку гальмування; vн - номінальна

швидкість тягового органу.

З виразу (4.8.) випливає, що в момент стопоріння скребкового

ланцюга до зупинки турбінного колеса гідромуфти вся її обертова

маса, складаючись з масою ротора АД, викликає значне додаткове

розтяжне зусилля, підвищуючи загальне розтяжне зусилля в ланцюзі.

Дослідженнями [13] встановлено, що при стопорінні тягового органа

в приводі конвеєра, оснащеного гідромуфтою, виникають коливання

навантаження і швидкості обертання турбінного колеса муфти (рис.

4.29). Це обумовлене тим, що динамічні навантаження при стопорінні

призводять до значних деформацій розтяжіння ланцюгів. Пружна

реакція ланцюгів після зупинки турбінного колеса розкручує його в

зворотному напрямку, і гідромуфта працює якийсь час у режимі

противключення, поки ланцюги не витратять певну частину запасеної

потенційної енергії. Після цього знову починається рух турбінного

m

Fдв

c

l

Рисунок 4.28. - Розрахункова схема

процесу стопоріння конвеєра

165

колеса і наступне стопоріння (рис. 4.30). У малопотужних конвеєрах

коливання досить швидко загасають, однак, при збільшенні

потужності приводів до 55 кВт коливання можуть носити

стаціонарний характер при дуже великих амплітудах аж до

виплавлення запобіжних пробок гідромуфт.

Таким чином, захисна

дія гідромуфти полягає у

кінематичному

відокремленні валів двигуна

і редуктора шляхом злиття

під тиском у зовнішнє

середовище емульсійної

рідини (що, як правило,

розігріта до температури,

більшої за 100 0С) через

виплавлення плавкої пробки.

Ця дія відбувається в разі

зупинки турбінного колеса за

умови, що на початку

стопоріння не відбулося

пориву скребкового ланцюга

конвеєра.

Іншою характерною особливістю функціонування

електроприводу скребкового конвеєра є робота двох приводних

блоків на один вал. Розглянемо випадок, коли механічні

характеристики ОА і ОВ окремих приводних блоків мають різний кут

нахилу ( рис. 4.31) через відмінність їх номінальних ковзань sном1 і

sном2. За умови сумісної роботи на загальний вал (на характеристиці

ОС) при моменті опору, що дорівнює подвійному номінальному

моменту кожного приводного блоку (2 Мном), загальне ковзання, з

яким працюватимуть приводні блоки, має знаходитися між

номінальними ковзаннями окремих блоків: sном1 < s< sном2. Розподіл

моментів приводних блоків має бути підпорядкований наступним

відношенням:

М1 = 2 Мном sном2 /( sном1 + sном2), (4.9)

М2 = 2 Мном sном1 /( sном1 + sном2), (4.10)

М1 / М2 = sном2 /sном1 (4.11)

М·102, Н·м

Рисунок 4.29 – Експериментальна

перехідна характеристика гідромуфти

ГПЭ-345 при стопорінні конвеєра

vн, с-1

166

Отже, сумісна робота (на один вал) двох приводних блоків із

різним нахилом механічних характеристик призводить до розподілу

навантаження на обидва приводні блоки зворотно пропорційно щодо

їхніх номінальних ковзань. Таким чином, приводний блок з більш

жорсткою механічною характеристикою (ОА) буде знаходитися у

стані перевантаження, в той час, як інший приводний блок

Рисунок 4.30 - Осцилограми параметрів привода двоприводного

скребкового конвеєра, оснащеного гідромуфтами, при стопорінні

[13]: Мс1; Мс2 – приведені до турбінного колеса гідромуфти

момменти опору головного і хвостового приводів, Нм;

М1 ; М2 – гідродинамічні моменти, прикладені до турбінних коліс

головного і хвостового приводів, Нм;

Р – максимальні зусилля в скребкових ланцюгах, Н;

ω1; ω2 - кутові швидкості двигунів, с-1

; Ώ1; Ω2 -кутові швидкості турбинних коліс, с

-1

Рисунок 4.31 – Розподіл

навантаження між двома

приводними блоками з різними

номінальними ковзаннями за

умови їхньої роботи на один вал

(на прикладі електроприводу

скребкового конвеєра)

167

(характеристика ОВ) буде недонавантажений. В практичній площині

це може спричинити відмову (через теплове ушкодження ізоляції)

двигуна перевантаженого приводного блоку, В разі невиконання

захисного відключення, у подальшому подвійний номінальний

момент привода буде прикладений до приводного блоку, що

працював з недонавантаженням, і теж призведе до ушкодження його

двигуна. Небезпека цієї ситуації є реальною, оскільки обидва

приводні блоки скребкового конвеєра при роботі на один спільний

вал підключаються до мережі через загальний магнітний пускач,

струмовий захист від перевантажень якого налаштований на суму

номінальних струмів двигунів обох блоків. Таки чином, захист

пускача не спроможен виявити струмове первантаження одного з

двигунів приводу у той час, як інший двигун працюватиме з

недонавантаженням. В цьому випадку дієвим є тільки застосування

безпосереднього теплового захисту кожного з двох двигунів приводу

конвеєра.

Теоретично, причиною відмінності номінальних ковзань

приводних блоків може бути відмінність нахилів природних

механічних характерисик їхніх асинхронних двигунів. Однак,

застосування провідних технологій при виробництві електричних

машин сприяє дотриманню високої якості останніх і дотриманню

однакових електромеханічних показників електродвигунів кожної

серії. На практиці різний нахил механічних характеристик, як

правило, є наслідком неоднакового за об’ємом заповнення гідромуфт

емульсійною рідиною (через помилку, або неуважність персоналу).

Відповідно до цього, гідромуфти матимуть різні номінальні ковзання,

що і буде причиною відмінності номінальних ковзань приводних

блоків конвеєра.

Перспективним напрямом в галузі створення шахтних

скребкових конвеєрів є застосівання двошвидкісних асинхронних

двигунів. Вони мають на одному магнітопроводі дві трифазні

статорні обмотки (у кожній – з’єднання за схемою «зірка» 1 і 2 (рис.

4.32; рис. 4.33) з чотирма та дванадцятью полюсами і дозволяють

отримувати синхронні кутові швидкості ротора, відповідно, 1500

об/хв і 500 об/хв. Це суттєво сприяє підвищенню безпеки експлуатації

конвеєра: пуск конвеєра з короткочасним ступенем зменшенної (у 3

рази) швидкості тягового органу; допоміжні операції із доставки

обладнання та матеріалів в очисний вибій з меншою швидкістю.

168

Виконання функції керованого пуску з короткочасним терміном

зменшеної швидкості потребує дотримання умови стабілізації

швидкості привода на протязі терміну переключення статорних

обмоток двигуна. Пуск асинхронного двигуна методом контакторної

комутації обмотки зменшеної швидкості (на початковому етапі) і

обмотки номінальної швидкості (на етапі завершальному)

характеризується наявністю вільної складової магнітних потоків і

коливаннями електромагнітного моменту двигуна на інтервалі

переключення статорних обмоток (рис. 4.34).

Рисунок 4.33 – Конструкція двошвидкісного асинхронного двигуна

серії ЭДКВФ виробництва Первомайського електромеханічного

заводу ім. К. Маркса (Україна)

1 2

КОТУШЕЧНА ГРУПА КОТУШЕЧНА ГРУПА

а б

Рисунок 4.32 – схеми обмоток статора двигуна серії ЭДКВФ:

а – обмотка номінальної швидкості (кількість полюсів 2р = 4);

б – обмотка зменшеної швидкості (кількість полюсів 2р = 12)

169

З метою перешкоджання коливанням швидкості і можливому

призупиненню руху скребкового ланцюга при переключенні

статорних обмоток у складі конвеєра застосовують, як правило, два

двошвидкісні приводні блоки, розташовані у складі головного та

хвостового приводів (рис. 4.35). Це дозволяє використати позитивні

властивості конвеєра як системи з розподіленими параметрами

(скребковий ланцюг має бути представлений ділянками у вигляді

Рисунок 4.34 – Розрахункова динамічна механічна характеристика

двошвидкісного асинхронного двигуна в режимі керованого пуску

методом контакторного підключення статорних обмоток зменшеної

швидкості (початок пуску) і номінальної швидкості (завершальний етап)

m1 mn

Jп1

……..

ω0

Mд2 ωn+1

Mд2

Mоп2 Mоп1

L0

c0, μ0

L1

c1, μ1

Ln

cn, μn

привод

№1

привод

№2

т.0 т.1 т.n

Рисунок 4.35 – Динамічна схема двоприводного скребкового конвеєра

Ln-1

cn-1, μn-1

Ln+1

cn+1, μn+1

т n+1

Jп2

170

паралельно з'єднаних пружних і дисипативних елементів із масою mi,

жорсткістю сi і коефіцієнтом демпфірування μi. Приводи представлені

у вигляді обертових мас із приведеними моментами інерції Jп,

моментами двигунів Мд і моментами опорів М оп).

Алгоритм переключення приводів конвеєра із зменшеної

швидкості на номінальну передбачає неодночасність виконання цієї

операції стосовно обох приводів. Як правило, першим на номінальну

швидкість переключається хвостовий привод, в той час, як головний

виконує підтягуючу функцію. Потім на номінальну швидкість

переключається і головний привод, в той час, як хвостовий

підтримує функцію розгону (рис. 4.36). З урахуванням пружно-

дисипативних властивостей скребкового ланцюга це технічне

рішення дозволяє перевести тяговий орган конвеєра на номінальну

швидкість із зменшеноїї (пускової) без короткочасного падіння

швидкості і без ривка. Цей алгоритм і функцію доставочних операцій

із зменшеною у тричі швидкістю реалізують спеціальні станції

управління, силова схема яких містить контактори ввімкнення

статорних обмоток двигунів зменшеної і номінальної швидкостей.

Рисунок 4.36 – Розрахункові діаграми параметрів пуску скребкового

конвеєра довжиною 250 м, оснащеного двома двигунами ЭДКФВ315М12/4

із рознесеним у часі переключенням швидкості приводних блоків

Хвостовий привод Головний привод

Залежності швидкостей обертання двигунів від часу, с

Залежність фазного струму хвостового двигуна від часу, с

171

Експлуатація двошвидкісного АД в умовах шахтної дільниці

відрізняється певними особливостями, які необхідно враховувати з

метою забезпечення безпеки персоналу від електроураження.

Зокрема, оскільки обидві статорні обмотки двигуна змонтовані на

загальному магнітопроводі, при роботі двигуна має місце

трансформаторний ефект. При підключенні до мережі однієї із

статорних обмоток контактором КМ1, або КМ2 (рис. 4.37), на іншій,

не підключеній, генерується ЕРС, відповідно, e2, або e1 (рис. 4.38). В

результаті, ділянка мережі, що приєднана до непідключеної обмотки,

в якій генерується ЕРС, являє небезпеку електроураження в разі

торкання людиною її струмоведучих елементів. На схемі (рис. 4.37)

опір тіла людини представлений активним опром Rв витоку на землю;

RК; ХК - активні і ємнісні опори ізоляції відповідних кабельних

приєднань; RS; ХS - активні і індуктивні опори першої (індекс -1) і

другої (індекс 2) обмоток статора асинхронного двигуна; Rr; Хr -

активні і індуктивні опори його ротора; SF – автоматичні вимикачі

(груповий та дільничної трансформаторної підстанції (ТП); АЗ –

апарат захисту від витоку струму на землю [4;5; 22].

Rв Rв

Рисунок 4.37 – Розрахункова схема підключення двох статорів

двошвидкісного асинхронного двигуна до мережі дільниці шахти

е1 е2

ТП АЗ

172

Значні амплітуди вказаних ЕРС і їхні завеликі частоти

створюють умови виникнення небезпечних струмів в ланці витоку

струму на землю (Rв) через ємнісні опори ізоляції ХК = 1/2πfС,

оскільки при частотах 650 Гц і 1650 Гц ці опори є суттєво

зменшеними у порівнянні із величинами ємнісних опорів при

протіканні струмів промислової частоти (50 Гц).

Безпечна експлуатація двошвидкісного АД може бути здійснена

за умови підведення оперативного струму АЗ не тільки до мережі

ввімкненої обмотки статора, але й до мережі іншої, відключеної

статорної обмотки двигуна.

Рисунок 4.39 -

Улаштування шахтного

очисного механізованого

комплексу на основі

застосування

скребкового конвеєру

(експозиція українського

розділу Міжнародної

виставки «Уголь –

Mining-2010»)

Рисунок 4.38 – Осцилограми вторинних ЕРС асинхронного двигуна:

ЭДКФВ315М12/4 в обмотці зменшеної швидкості при підключенні до

мережі обмотки номінальної швидкості (а) і в обмотці номінальної

швидкості при підключенні до мережі обмотки зменшеної швидкості (б)

f =1650 Гц f =650 Гц

а б

173

Питання для самоконтролю

1. Якими є особливості улаштування і експлуатації шахтних

стрічкових конвеєрів?

2. Якими є особливості улаштування і експлуатації конвеєрів з

канатно-тросовим приводом?

3. Якими є особливості улаштування і експлуатації шахтних

скребкових конвеєрів?

4. У чому полягає застосування тиристорних регуляторів напруги

в пристроях управління пусковими режимами асинхронних

електроприводів стрічкових конвеєрів?

5. Якою є структура та принцип дії пристрою управління

уповільненим розгоном асинхронного електроприводу

стрічкового конвеєра (на прикладі апарата АПМ-1)?

6. У чому полягають особливості застосування засобів «soft-start» з

розімкненими системами управління в системах

електроприводів шахтних стрічкових конвеєрів?

7. У чому полягають особливості улаштування і експлуатації

асинхронних електроприводів стрічкових конвеєрів з

реостатними схемами управління, включаючи схеми з

тиристорними регуляторами роторного струму двигунів?

8. Якими є проблематика експлуатації і принципи побудови

системи імпульсно-фазового управління тиристорним

регулятором роторного струму асинхронного двигуна?

9. У чому полягають особливості експлуатації гідромуфти в

електроприводі скребкового конвеєра (робота при пуску; при

стопорінні тягового органу; вплив на параметри кінематично

з’єднаних між собою двох приводних блоків)?

10. У чому полягають особливості застосування

двошвидкісних асинхронних двигунів в електроприводі

скребкового конвеєра, якою є проблематика електробезпеки їх

експлуатації, вимоги до алгоритму переключення швидкісних

режимів приводних блоків у процесі розгону?

174

РОЗДІЛ 5

ЕЛЕКТРОПРИВОД ВИДОБУВНИХ І ПРОХІДНИЦЬКИХ

МАШИН

Навчальною метою розділу є набуття студентами знань щодо

специфіки улаштування і експлуатації електроприводів шахтних

видобувних і прохідницьких комбайнів, та стругових установок,

включаючи технічні засоби регулювання швидкісних режимів,

особливостей забезпечення безпеки від електроураження при

експлуатації частотно-керованих асинхронних електроприводів

подачі видобувних комбайнів.

5.1 Особливості улаштування і експлуатації видобувних

комбайнів і стругових установок

Видобувні (очисні) комбайни і стругові установки є основинм

видом електромеханічного обладнання, призначеного для

відокремлення вугілля та породи від гірського масиву з подальшим

перевантаженням на вибійний скребковий конвеєр. Як правило,

очисні комбайни мають вбудований електропривод різання,

оснащений одним, або двома асинхронними двигунами, а також

електропривод подачі, що може бути як безпосередньо вбудованим в

очисний комбайн (рис. 5.1), так і входити в структуру винесеної

системи подачі (ВСП) комбайна (рис.5.2).

Електроприводи подачі комбайна можуть бути не

регульованими за кутовою швидкістю (оснащені асинхронними

двигунами з короткозамкненим ротором) і регульованими за

параметром швидкості. В останньому випадку в промисловості відомі

наступні технічні рішення:

- регульований електропривод постійного струму з одним, або

двома двигунами подачі постійного струму, для регулювання

швидкісного режиму яких передбачений керований випрямляч

(випрямлячі);

- регульований електропривод змінного струму з одним, або

двома асинхронними двигунами з короткозамкненим ротором, для

регулювання швидкісного режиму яких передбачений перетворювач

частоти з ланкою постійного струму.

175

Таким чином, для очисного комбайна характерним є наявність

двох електроприводів різного призначення (різання і подачі).

Переміщення робочого органу різання у відповідності до гіпсометрії

вугільного пласта відбувається гідродомкратами поворотного блоку

різання. При цьому самі двигуни привода різаня у залежності від

конструкції комбайна можуть бути закріплені стаціонарно в корпусі

комбайна, або в складі корпуса поворотного блоку різання (тобто,

переміщатися відносно основного корпусу 4 комбайна разом із ПБР.

Переміщення комбайна у горизонтальній площині відбувається

по ставу вибійного конвеєра шляхом обертання зірочок приводу

подачі уздовж металевого ланцюга (при вбудованому приводі

подачі). В разі застосування ВСП корпус комбайна закріплюється на

загальному ланцюговому тяговому органі, який переміщується в

горизонтальній площині приводними блоками, розміщеними на

верхньому і нижньому приводах вибійного скребкового конвеєра.

10 10

Рисунок 5.1 – Видобувний комбайн КДК-500 (ІІ типорозмір)

ПБР – поворотний блок різання; БП – блоки подачі; БР – блоки руху;

1 – двигун різання; 2е – блок електричний (без двигуна); 2г – блок

гідравлічний; 3 - навантажувальний щит; 4 – корпус комбайна;

5; 6 – опорні механізми; 7 – гідродомкрат; 8 – виконавчий орган (шнек);

9 – 10 – електродвигуна і редуктори подачі; 12; 13 – приводна і

проміжна тягові зірочка приводу подачі

3 3

4

7 7

БР БР

2е

13 13

12 12

176

Робота очисного комбайна відрізняються стохастичною зміною

навантаження (моменту опору), що характеризується коефіцієнтами

варіації, які визначаються [35]:

- особливостями конструкції виконавчого органу;

- силою різання на одному різці, яка залежить від крихко-

пластичних властивостей вугілля;

- величинами опірності вугілля різанню в перетині очисного

вибою, та уздовж лави;

- нерівномірністю подачі на очисний вибій.

Таким чином, розрахункова потужність електродвигуна

виконавчого органу комбайна визначається фактичною діаграмою

його навантаження, яка, у свою чергу, залежить від організації праці;

гірсько-гелогічних умов; кваліфікації персоналу. Наявність гірсько-

гелогічних порушень у вугільному пласті; призводить до чисельних

Рисунок 5.2 – Компоновка очисного комбайна К103М з винесеною

системою подачі

1 – електродвигун привода різання; 2 – корпус комбайна; 3 – редуктор

привода різання; 4 – поворотний блок різання; 5; 6 – опорні механізми;

7 – портальна частина корпусної підсистеми комбайна; 8 – виконавчий

орган (шнек); 9 – асинхронний двигун з короткозамкненим ротором;

10 – електромагнітна муфта ковзання 111; 112 – редукторні групи;

12 – загальний ланцюговий тяговий орган; 13 - став скребкового конвеєра

2

7

7

13

13

177

зупинок і повторних пусків приводів комбайна. Це, а також

тривалість кінцевих операцій впливають на зменшення величини

коефіцієнта машинного часу роботи комбайна. У цілому, режим

роботи двигуна виконавчого органу є повторно-короткочасний (S4) з

тривалістю включення (%):

ТВ = (tп+tр)100/Тц, (5.1)

де tп – тривалість пуску; tр – тривалість роботи; Тц= tп+tр+tо –

тривалість циклу; tо - тривалість паузи.

Певним технічним протиріччям стосовно до електроприводів

очисних комбайнів є необхідність у застосуванні високопотужних

електродвигунів в машині, габарити якої обмежені невеликим

перетином очисного

вибою, у якому, крім

комбайна має бути

розташоване і інше

технологічне

обладнання. Одним із

ефективних вирішень

цього протиріччя є

застосування

асинхронних двигунів

з рідинною системою

охолодження (двигуни

типажних рядів

ЭКВЖ; ЭКВК-4;

ЭКВК-3,5; 2ЭКВЭ4;

ЭКВ4) [36].

У залежності від типу, в конструкції двигуна передбачена

одноконтурна, або двоконтурна система рідинного охолодження на

основі використання води у якості хладагенту, який прокачується по

внутрішніх каналах корпуса двигуна. При застосуванні двоконтурної

системи рідинного охолодження водяний контур є зовнішнім по

відношенню до внутрішнього контуру циркуляції діелектричної

рідини (кремнійорганічні масла марки ПМС і т.п.). Ця діелектрична

рідина циркулює по спеціальних внутрішніх каналах, заповнюючи

2/3 його вільного об’єму. За допомогою спеціальної крильчатки на

валу двигуна, вона знаходиться в рушійному стані. Охолоджуючи

1

2 3

4

Рисунок 5.3 – Загальний вид асинхронного

двигуна ЭКВК4-220 (розробка УкрНДІВЕ)

1 – корпус, 2 – вихідний вал ротора із

шлицями; 3 – кабельні води; 4 – штуцери для

підключення системи водяного охолодження

178

статор і ротор, і передаючи тепло через стінки корпуса проточній

воді. Цим забезпечується ефективне охолодження двигуна і

створюються умови для його роботи при підвищених моментах

опору.

Робота стругової установки полягає у переміщенні струга

вздовж ставу вибійного скребкового конвеєра аналогічно

переміщенню видобувного комбайна системою ВСП (рис. 5.4). Тому

система подачі струга вміщує два приводні блоки, розташовані на

верхньому та нижньому приводах вибійного скребкового конвеєра.

Улаштування кожного з приводних блоків стругової установки є

аналогічним улаштуванню приводного блоку скребкового конвеєра і

складається із з’єднаних кінематично асинхронного двигуна з

короткозамкненим ротором, гідромуфти і редуктора. Приводний блок

може бути розташований як вздовж става конвеєра, так і поперек

нього. Ні яких засобів регулювання кутової швидкості приводів

струга не передбачається. Пуск і зупинка приводів забезпечується

магнітними пускачами відповідних асинхронних двигунів.

Приклад повздовжного розташування приводних блоків

Приклад поперчного розташування приводних блоків

1

2

3

3

4

4

5

5

6

7

7

Рисунок 5.4 – Компоновка електроприводів стругової установки на

ставі вибійного скребкового конвеєра

1 – струг; 2 – став вибійного скребкового конвеєра; 3 – двигуна;

4 – гідромуфта; 5 – редуктор; 6 – додатковий редуктор;

7 – приводний блок скребкового конвеєра

179

5.2 Електропривод подачі комбайна постійного струму

Задача регулювання швидкості подачі у деяких типах очисних

комбайнів вирішується на основі застосування регульованих

електроприводів постійного струму. Загальним положенням у цьому

напрямі є використання керованих випрямлячів для регулювання

величини напруги живлення якоря двигуна в діапазоні від нуля до

номінальної. Такі керовані випрямлячі у залежності від габаритних

можливостей можуть бути вбудованими в корпус комбайна (комбайн

1КШЭ), або змонтованими в окремому вибухозахищеному корпусі і

встановленими на штреці (комбайни РКУП10; 1К10П) [11;35].

На структурній схемі (рис.5.5) представлені силові ланцюги

підключення асинхронного двигуна М1 привода різання і двигуна

L1

L2

L4

L3

КЕРОВАНИЙ ВИПРЯМЛЯЧ

РЕВЕРСОР

СІФУ

ЗШ

ДС1

ДС2

TV1 VC1

VC2

M1

VD1

R1

МП

+ _

М2 L5

Рисунок 5.5 – Структурна схема автоматизованого електроприводу

подачі очисного комбайна з двигуном постійного струму

Ір

Іп

Із

180

постійного струму М2 приводу подачі, включаючи елементи системи

управління його швидкісним режимом. Виконавчим пристроєм

управління є керований (тиристорний) випрямляч, який формує на

своєму виході напругу постійного струму у відповідності до команд

фазової затримки ввімкнення тиристорів, що надходять від системи

імпульсно-фазового управління (СІФУ). Вхідним параметром СІФУ є

вихідний струм обмотки L3 магнітного підсилювача (МП). Завданням

величини швидкості подачі є величина струму Із в обмотці L4 МП.

При автоматичному регулюванні швидкості подачі в залежності від

навантаження двигуна привода різання, має місце порівняння в МП

параметрів струмів в обмотках завдання швидкості L4 і зворотного

зв’язку за струмом привода різання (L1) – струмів Із та Ір (Ір –

випрямленний параметр вторинного струму датчика струму ДС1).

результуюча намагнічуюча сила МП визначається як різність

намагнічуючих сил вказаних обмоток і створює на виході МП

напругу, яка є вхідним параметром СІФУ, обумовлює величину

напруги на виході випрямляча, і тим самим, - кутову швидкість

двигуна М2 приводу подачі. Отже, з підвищенням навантаження

привода різання збільшується параметр, що призводить до обмеження

швидкості подачі за критеріїм неперевищення струмом Ір приводу

різання заданої (номінальної) величини. При зменшенні

навантаження приводу різання зменшується струм Ір в обмотці L1, що

призводить до підвищення швидкості подачі комбайна [11].

Захист двигуна М2 приводу подачі від перевантаження

виконується за допомогою затриманого зворотного зв’язку за

струмом. Випрямлений параметр вторинного строуму датчика струму

ДС2 створює пропорційну напругу на навантаженні R1 випрямляча

VC2. В разі перевищення напругою, що прикладається з частки

резистора R1 напруги пробою стабілітрона VD1, останній

відпирається у зворотному напрямі, і в обмотку L2 МП надходить

струм Іп (пропорційний струму якоря двигуна М2 приводу подачі

комбайна). Його дія спрямована на пропорційне обмеження

швидкості подачі комбайна, аналогічно розглянутій дії струму Ір.

Цей алгоритм, окрім магнітного підсилювача, може бути

реалізований і мікроелектронними технічними засобами.

Електроприводи постійного струму очисних комбайнів є

технічними розробками, переважно, 1970 років і, з урахуванням

негативних показників їх експлуатації (низькі надійність, ресурс,

висока трудоємність обслуговування) та досягнутих позитивних

181

результатів у створенні частотно-керованих асинхронних

електроприводів гірничих машин, - не мають подальшої перспективи

розвитку.

5.3 Частотно-керований асинхронний електропривод подачі

очисного комбайна

Сучасна технологія вуглевидобутку обумовлює обов’язкове

виконання вимог регулювання швидкості подачі очисного комбайна.

Певний час у цьому напрямі були поширеними системи

електроприводу постійного струму. Однак, низькі експлуатаційні

властивості такого приводу, іскріння у колекторному вузлі, низькі

параметри надійності, велика коштовність самого двигуна, його

обслуговування і ремонту обумовили пошук альтернативних рішень.

Таким є частотно-керований асинхронний електропривод подачі

комбайна на основі застосування силового інвертора на IGBT

(транзисторах) і асинхронного двигуна, який відрізняється більш

високою надійністю, ресурсом, меншими показниками вартості та

трудоємності обслуговування.

Технічна реалізація силового напівпровідникового

перетворювача частоти у рудниковому вибухозахищеному виконанні

стала можливою завдяки: компактності сучасних силових

напівпровідникових елементів (по два в одному модулі);

забезпеченню ефективного тепловідводу від напівпровідникових

структур на загальні металеві теплорозсіювачі в результаті

застосування спеціальних електроізоляторів із теплопровідної

кераміки (оксид берилію; оксид барію і т.п.); зручності підготовки і

передачі сигналів управління на силові напівпровідники на основі

широкого застосування спеціальних драйверів.

Частотно-керовані електроприводи впровадженні у системах

подачі очисних комбайнів типів: УКД-300; КДК-500; КДК-700

вітчизняного виробництва і мають перспективу подальшого

поширення. Подібні електроприводи використовуються і у складі

деяких типів очисних комбайнів іноземного виробництва.

Схема електроживлення такого комбайна (рис. 5.6) [37; 38]

передбачає підключення двигунів різання безпосередньо до

дільничної мережі промислової частоти, а двигунів подачі – через

перетворювач частоти (ПЧ) з метою забезпечення частотного

принципу регулювання кутової швидкості двигунів приводу подачі. У

182

залежності від типу комбайна, відповідно до його особливостей

конструкції перетворювач частоти може бути безпосередньо

вбудований у корпус комбайна, або бути виконаним у окремій

вибухозахищеній оболонці і знаходитись на розподільчому пункті

дільниці.

Структурно ПЧ повністю відповідає класичній компоновці

перетворювача з ланкою постійного струму, представленою

випрямлячем 1 з ємнісним фільтром 2 на виході (рис. 5.7) [37].

Напруга змінної частоти формується автономним інвертором напруги

3 і подається на асинхронний двигун споживача через згладжуючий

дросель 4.

В процесі формування трифазної системи вихідних напруг

перетворювача застосовується принцип широтно-імпульсної

модуляції. Це пояснюється наступним. Постійна напруга з ланки

постійного струму прикладається до автономного інвертора напруги,

силові транзисторні модулі якого відпираються по черзі короткими

імпульсами частоти 2500 Гц. В процесі широтно-імпульсної

модуляції (ШІМ) верхній та нижній ключі кожної з паралельних

ланок інвертора (рис. 5.8) знаходяться у протилежному стані і

переключаються з частотю модуляції [39].

Рисунок 5.6 – Схема електроживлення видобувного комбайна з частотно-

керованими асинхронними двигунами подачі (ЕДП) і не керованими

асинхронними двигунами різання (ЕДР)

КТПВ – дільнична трансформаторна підстанція; АВ – автоматичний

вимикач; ПВ – вибухозахищений магнітний пускач; С – ємність ізоляції

кабеля; АЗ – апарат захисту від витоків струму на землю

ЕДР1

ЕДР2

ЕДП1

ЕДП2

АЗ

ПЧ

183

Час ввімкнення ключів визначається порівнянням моделюючої

напруги uтр (t) із заданою напругою uзад (t). Оскільки на виході

інвертора формується трифазна система напруг заданої частоти, існує

потреба у трьох заданих напругах однієї амплітуди, зі зсувом на 1/3

періода вихідної частоти: (2π / 3): uзадA (t), uзадB (t), uзадC (t), відповідно

до діаграм (рис. 5.9). Вихідною напругою інвертора буде параметр:

uвих (t)=U·F(t), (5.2)

Рисунок 5.7 – Блочно-структурна схема перетворювача частоти

ПЧЭШ-60 видобувного комбайна і діаграми напруг відповідних

функціональних блоків

СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ

ЛАНЦЮГ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Рисунок 5.8 – Еквівалентна схема

трифазного інвертора напруги

К1-К6 – еквіваленти

напівпровідникових ключів;

С – ємність ланцюга постійного

струму;

Z1-Z3 – повні фазні опори силового

приєднання

184

де U – напруга джерела живлення; F(t) – функція, що визначається

законом управління силовими ключами інвертора.

Трифазна система напруг завдання описується виразами:

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)

де μ – коэфіцієнт модуляції; ƒвих – частота вихідної напруги; ƒк –

частота модуляції.

Модулююча напруга визначається виразом:

uТР(t)=-2·arcsin[sin(t-π/2)]/π. (5.6)

Рисунок 5.9 – Діаграми напруг при реалізації принципу синусоїдальної

широтно-імпульсної модуляції вихідної напруги перетворювача частоти

tK1 і tК3 – час ввімкненого стану ключів К1 і К3; uAN(1), uBN(1), uAB(1) – величини

напруг відповідних фаз мережі

185

Прямокутні вихідні імпульси напруги згладжуються вихідним

LC-фільтром, що створює ефект наближення форми вихідного струму

інвертора до синусоїдальної. Але прямокутність імпульсів вихідної

напруги інвертора обумовлює наявність в них високочастотних

гармонічних складових (рис. 5.10), величина і рівень частоти яких

знаходяться у залежності від заданої частоти. При цьому, із

зменшенням вихідної частоти напруги інвертора ширина вихідних

імпульсів збільшується, що обумовлює зменшення рівня

високочастотної складової вихідної напруги інвертора.

Напруги uAN, uBN поряд із змінною складовою вміщують і

постійну складову: U/2. Лінійна напруга на виході трифазного

інвертора напруги: uAВ = uAN – uBN. Її основна гармоніка визначається

різницею основних гармонік відповідних напруг, амплітуди яких

дорівнюють: Um(1)=μ·(U/1). Діюче значення лінійної вихідної напруги

інвертора визначається виразом:

UЛ(1)=μ·[(U/2)·(√3/√2)] =μ·0,606·U (5.7)

Наявність сукупності високочастотних складових у спектрі

вихідних напруг інвертора обумовлює суттєве зменшення

ємнісного опору ізоляції мережі струмам цих частот і утворює

додаткову небезпеку електроураження (рис.5.11) [37;40;41;42].

Крім того, при виникненні витоку струму на землю в ланцюзі

постійного струму між мережею і землею виникає додаткове

джерело постійної напруги, струм якої Iвит2 може значно

перевищити величину оперативного струму Iоп апарата захисту

(АЗ) від витоку сруму на землю і цим блокуватиме його роботу

(рис. 5.12). Тому в шахтних електричних мережах, у яких

Рисунок 5.10 – Спектр вихідної напруги інвертора у відносних одиницях

Результати отримані в УкрНДІВЕ

186

застосовуються перетворювачі частоти (комбіновані електричні

мережі) необхідно використовувати спеціальні апарати захисту від

витоків струму на землю. до яких належить апарат серії АЗУР-4ПП

(застосовується у шахтних дільничних комбінованих

електромережах напругою до 1140 В, включно) [37].

Апарат АЗУР-4ПП являє собою систему комплексного захисту

від витоків струму на землю у комбінованій шахтній дільничній

електромережі, яка відрізняється підвищеною швидкодією

спрацьовування при виникненні небезпечного витоку струму на

землю (в разі торкання людиною струмоведучих елементів мережі,

що є під напругою), виконує водночас вплив на автоматичний

вимикач дільничної трансформаторної підстанції, на перетворювач

частоти і відключає кабельну лінію, що відходить від ПЧ (при

винесеному варіанті його розташування). Функціональні

взаємозв’язки цієї системи ілюструються її блочно-структурною

схемою (рис. 5.13).

В разі виникнення небезпечного витоку струму на землю блок 1

спрацьовує і надсилає команди на відключення комутаційного

апарата 4 і на спрацьовування блоку 8 примусового відключення

силової напівпровідникової схеми ПЧ (6). При цьому захисну

функцію продовжуватиме виконувати блок 2 компенсації ємнісних

Івит

Івит

t, ms

t, ms

0 0

Рис. 5.11 - Осцилограми струму витоку на землю в дільничній мережі з

перетворювачем частоти при частоті його вихідної напруги 5 Гц (а) і

70 Гц (б) [37]

187

струмів витоку, а блок 3 обере пошкоджену фазу і автоматично її

підключить на землю через резистор малого опору. Блок 8 формує

команду на відключення комутаційного апарату 7 при виникненні

струму витоку після силових напівпровідникових елементів ПЧ. У

цьому разі комутаційной аппарат 7 своїм контактом вмикає

короткозамикач 9, який імпульсно, на термін до 1с. замикає між

собою три фази на виході ПЧ і, тим самим, припиняє дію зворотної

ЕРС асинхронного двигуна гірничої машини.

Дільнична мережа поділяється на дві ланки, і блок 3 при цьому

не спрацьовує, а болок 2 функціонує у штатному режимі,

підтримуючи безпеку експлуатації дільничної мережі при виникненні

вказаного аварійного режиму.

АЗ

ПВУФ

Івит1

Івит2

Rвит1 Rвит2

M

Рисунок 5.12 – Схема утворення впливових факторів з боку

перетворювача частоти (ПЧ) в комбінованій електромережі дільниці

шахти на роботу апарата захисту (АЗ) від витоків струму на землю

ПВУФ – пристрій вибору ушкодженої фази; ФП – філтр приєднання;

М – асинхронний двигун споживача; Іоп – оперативний струм АЗ;

І вит – струм витоку на землю; Rвит – опір витоку на землю;

Rш – шунтуючий опір АЗ

188

З метоою усунення впливу ланки постійного струму на роботу

апарату захисту при виникненні в ній небезпечного струму витоку на

землю через появу напруги між фазою мережі і землею, спрямованої

на зустріч вимірювальній напрузі апарата захисту, передбачений блок

10 контролю опопру ізоляції ланки постійного струму, який при

зменшенні її опору нижче припустимого рівня відключає і блокує

комутаційний апарат 7.

Таким чином, експлуатація частотно-керованого асинхронного

електроприводу видобувного комбайну в умовах шахти можлива

тільки за умови застосування спеціально адаптованого апарата

захисту від витоків струму на землю.

Алгоритм управління частотно-керованим асинхронним

приводом передбачає підтримання заданого рівня швидкості подачі

комбайна при обмеженні навантаження двигунів подачі і різання, а

також – можливість генераторного гальмування двигунів шляхом

ввімкнення ключового транзистора в блоці гальмування (БГ) і

Рисунок 5.13 – Блочно-структурна схема системи АЗУР-4ПП

комплексного захисту від витоків струму на землю в мережі з

перетворювачем частоти в ланцюзі електроживлення асинхронного

двигуна гірничої машини (розробка УкрНДІВЕ)

1 – блок контролю опору ізоляції мережі; 2- блок компенсації ємнісних

складових струму витоку; 3 – блок захисного заземлення фази з

ушкодженою ізоляцією; 4 – захисний комутаційний апарат;

5 – трансформатор дільничної підстанції; 6 – силова напівпровідникова

схема ПЧ; 7 – комутаційний апарат; 8 – блок примусового відключення;

9 – короткозамикач; 10 – блок контролю опору ланки постійного струму

189

замиканням ЕРС, створеної асинхронним двигуном, через гальмовий

резистор (рис.5.14) [38; 43].

У такому приводі мікропроцесорна система управління виконує

векторне управління магнітним потоком і кутовою швидкістю

асинхронного двигуна приводу подачі. Параметр заданої величини

цієї швидкості формується відповідним блоком завдання параметрів

(БЗ). З урахуванням заданої величини швидкості подачі, обмежуючих

факторів від струму приводу різання та інформації про миттєві

значення струму та напруги статора приводу подачі, що надходить з

блоку вимірювання (БВ), основний мікроконтролер МК

мікропроцесорної системи управління (МСУ) формує керуючи

команди впливу на ключі автономного інвертору напруги АІН; на

систему імпульсно-фазового управління (СІФУ) випрямлячем (в разі

АІН БГ

ДРАЙВЕРИ

СІФУ

БЗ

ШІМ

МЕРЕЖА

α

КВ

БВ

Рисунок 5.14 – Функціональна схема частотно-керованого

асинхронного електроприводу подачі очисного комбайна

190

застосування керованого випрямляча), а також на широтно-

імпульсний модулятор (ШІМ), регулюючи, тим самим, частоту і

величину трифазної напруги в ланцюзі статора асинхронного двигуна

(двигунів) приводу подачі.

При неперевищенні струмом приводу різання заданої величини

система управління підтримує швидкість подачі на рівні, заданому

машиністом. При підвищенні навантаження на привод різання,

система управління обмежує струм привода різання на максимально

припустимому рівні, зменшуючи величину швидкості подачі.

Компактність елементів частотно-керованого електроприводу

дозволяє вбудовувати перетворювач частоти безпосередньо в корпус

очисного комбайну і дає змогу застосовувати рідинне охолодження

силових напівпровідників перетворювача частоти.

Застосування перетворювачів частоти є можливим і в окремих

оболонках у рудниковому вибухобезпечному виконанні. В цьому разі

ПЧ можуть бути розміщені на штреці. Схеми таких ПЧ теж

складаються із ланки постійного струму і АІН, але в деяких

розробках схема інвертора виконана на тиристорах (рис. 1.50), що не

є принциповим стосовно реалізації частотного способу управління

швидкістю приводу подачі комбайна.

Окрім приводів подачі, вбудованих безпосередньо в структуру

очисного комбайна, перетворювачі частоти можуть застосовуватись і

для регулювання кутової швидкості винесених приводів подачі (ВСП)

очисних комбайнів (комбайн УКД-300 і т.п), що є перспективним

технічним рішенням.

5.4 Електропривод винесеної системи подачі очисного комбайна з

електромагнітними муфтами ковзання

Найбільш поширеним технічним засобом регулювання

швидкісних параметрів винесеної системи приводу подачі очисного

комбайна є асинхронна муфта (електромагнітна муфта ковзання).

Вона застосовується в системах ВСП комбайнів КА80; К103М;

КА200; УКД200-250 [35] і поєднує в собі функцію передачі

обертового моменту від двигуна на вал редуктора (або робочого

органа) технологічної установки з функцією регулювання

швидкісного режиму електропирвода за умов незмінної кутової

швидкості приводного двигуна. Таким чином, в таких

електроприводах застосувуються, як правило, асинхронні двигуни з

191

короткозамкненим ротором, пуск яких відбувається прямим

підключенням до мережі живлення без будь-яких засобів

регулювання кутової швидкості ротора.

До складу електромагнітної муфти ковзання входять якір та

індуктор (рис. 5.15) [11]. Якір виконується як масивний стальний

циліндр або сердечник і встановлюється на валу двигуна. Соосно з

якорем на валу робочого органа (РО), або редуктора встановлюється

індуктор з обмоткою. Відповідно до конструкції якоря (циліндр, або

сердечник) індуктор розташовується у внутрішньому об’ємі циліндра

якоря, або має зовнішнє до нього розташування.

Обмотка індуктора отримує живлення постійним струмом,

який передається через кільця індуктора від випрямляча. При роботі

двигуна якір обертається з постійною швидкістю (кутовою

швидкістю двигуна). У цьому разі за наявності постійного струму в

обмотці індуктора, останній індуктує у якорі струми, магнітні потоки

яких взаємодіють із магнітним полем індуктора і створюють

обертовий момент. Таким чином, якір муфти передає обертовий рух

на індуктор і через нього – на робочий орган, або редуктор привода.

Величина постійного струму регулюється керованим

випрямлячем засобами фазового регулювання (СІФУ) і цим

обумовлює величину магнітного потоку в елементах муфти, і

РО

Керований випрямляч

+ _

Якір Індуктор

Рисунок 5.15 - Улаштування керовангого електроприводу з

асинхронною муфтою (електромагнітною муфтою ковзання)

Двигун

СІФУ

Мережа

192

ковзання індуктора відносно руху якоря. Цим регулюється кутова

швидкість індуктора.

Механічна характеристика електромагнітної муфти ковзання

обумовлена струмом збудження І з. в обмотці індуктора та величиною

кутової швидкості ωдв вала приводного двигуна (рис. 5.16):

)(

))(()(222

2

22

22

2

sxxr

xrrIk

qdдв

qss

збm

M

, (5.8)

де s – ковзання індуктора муфти; r2- активний опір якоря; xd; xq –

складові індуктивного опору реакції якоря, відповідно по поперечній

та повздовжній осях.

Таким чином,

електромагнітна

муфта ковзання

дозволяє уповільнити

пуск едектропривода

при контакторному

підключенні

асинхронного

двигуна до мережі

шляхом повільного

підвищення величини

струму збудження

індуктора. Крім того,

електропривод із

електромагнітною

муфтою збудження

здатен підтримувати

проміжні швидкості робочого органу, а також, задані рівні швидкості

за умови застосування замкненої за параметром швидкості системи

автоматичного управління (корекція струму збудження індуктора в

функції розузгодження заданої і фактичної швидкості приводу).

Вказані властивості використані в структурі електропирводу

винесеної системи подачі очисного комбайну.

І зб. ном

0,7І зб. ном

0,85І зб. ном

0,5І зб. ном

ωдв

ω

М

0

Рисунок 4.16 – Механічні характеристики

асинхронної муфти при різних струмах

збудження І зб. обмотки індуктора

193

5.5 Електропривод прохідницьких комбайнів

Прохідницькі комбайни (рис.5.17) являють собою

багатофункціональні потужні електромеханічні комплекси,

призначені для створення гірничих виробок як у вугіллі так і в

оточуючих породах [35]. До основних виробничих функцій

прохідницького комбайну слід відносити виймання гірської маси;

навантаження відбитої гірської маси на засіб транспортування

(скребковий конвеєрний перевантажувач); безпосередньо,

транспортування гірської маси, переміщення самого комбайна

(гусеничний хід). До супутніх операцій слід віднести зрошення

гірської маси, що відбивається комбайном під час роботи.

Рисунок 5.17 – Улаштування прохідницького комбайну КСП-32

1 – корпус; 2- обертовий турель; 3 – рама стріли; 4; 5 – електродвигун і

редуктор виконавчого органу(6); 7 – насос; 8; 9; 10 двигун, редуктор і зірочка

засобу пересуву; 11; 12 – лінивець і гусеничний ланцюг засобу пересуву;

13 – стіл живителя; 14; 15; 16 – двигуна, редуктор та лапи навантажувача;

17 – скребковий перевантажувач з двигунами 18 і редукторами 19; 20-23–

гідродомкрати

194

Всі електроприводи

функціональних вузлів комбайна

оснащені асинхронними

двигунами з короткозамкненим

ротором, комутація яких

здійснюється контакторами

станції управління, що

знаходиться на комбайні (рис.

5.18) і не передбачає функції

регулювання кутової швидкості

(рис. 5.19). Для подачі напруги

на станцію управління і насос

зрошення передбачені магнітні

пускачі ПМ1 і ПМ2, відповідно.

Рисунок 5.18 – Зовнішній вид станції

управління СУВК електроприводами

прохідницького комбайну

Рисунок 5.19 – Принципова схема силових електричних ланцюгів

прохідницького комбайну (на прикладі машини ПК-9Р)

Гусеничний хід

Гусеничний хід

Перевантажувач

Виконавчий орган

Вентилятор пиловідсосу

Навантажувальний орган

Насос гідросистеми

Перевантажувач

Насос зрошення

195

Питання для самоконтролю

1. Якими є особливості улаштування і експлуатації видобувних

комбайнів, стругових установок і прохідницьких комбайнів?

2. Якою є структура і принцип функціонування регульованого

електроприводу подачі очисного комбайна з двигунами

постійного струму?

3. Якою є структура і принцип функціонування частотно-

керованого асинхронного електроприводу подачі очисного

комбайна?

4. У чому полягає проблематика забезпечення електробезпеки

експлуатації частотно-керованого асинхронного електроприводу

подачі очисного комбайна?

5. Яким чином улаштований електропривод винесеної системи

подачі очисного комбайна?

6. Якими є улаштування і принцип роботи електромагнітної муфти

ковзання в електроприводі винесеної системи подачі комбайна?

7. Розкрити особливості улаштування електроприводів

прохідницького комбайна.

196

РОЗДІЛ 6

ЕЛЕКТРОПРИВОД ЛОКОМОТИВНОГО ТРАНСПОРТУ

Навчальною метою розділу є набуття студентами знань щодо

улаштування і функціональних властивостей електроприводів

шахтних акумуляторних і контактних електровозів, та напрямків їх

удосконалення на основі застосування більш ефективних

електричних машин та способів управління швидкісними режимами

електроприводів.

6.1 Улаштування та особливості експлуатації шахтних

електровозів

Одним з поширених на шахті є електровозний транспорт. За

способом живлення приводних електродвигунів рудникові

електровози поділяються на акумуляторні та контактні (рис. 6.1).

Областю застосування акумуляторних електровозів є шахти і

виробки, небезпечні за вибухом метано-повітряної суміші, або

вугільного пилу, де експлуатація контактних електровозів –

заборонена. Базові конструкції електровозів передбачають

застосування двох приводних блоків з двигунами постійного струму.

Кожен приводний блок (рис. 6.2) представлений конструкцією із

тягового двигуна постійного струму послідовного збудження і

редуктора, на вихідному валу якого розташована колісна пара.

Підвіска приводного блоку в рудникових електровозах є опорно-

рамною, де вісь колісної пари є опорою для редуктора, а

електродвигун приєднується до рами електровоза. Електродвигуни

шахтних контактних електровозів виготовляються на номінальну

напругу (постійного струму) 250 В і 550 В. Електродвигуни

акумуляторних електровозів, як правило, розраховані на номінальну

напругу 175 В.

Типовий електропривод акумуляторного електровозу

передбачає одночасну роботу обох приводних блоків на загальну

механічну систему навантаження. При цьому, перевагою двигунів

послідовного збудження є замала жорсткість їх механічної

характеристики із збільшенням її нахилу при зменшенні

навантаження. Через це:

197

- створюються умови для стабілізації сили тяги при коливаннях

величини напруги живлення (у залежності від стану заряду

акумуляторної батареї), оскільки в цьому разі коливатиметься тільки

кутова швидкість вала вигуна;

- навантаження між двома двигунами послідовного збудження,

що працюють на загальну механічну систему (колісні пари, з’єднані

між собою рейками), розподіляється більш рівномірно, і робота

двигунів у цих умовах є більш стійкою [21; 44].

Виконавчим пристроєм для ручного керування швидкісними

режимами приводних блоків електровоза є контролер (рис. 6.3), у

якому, у відповідності до кожного фіксованого положення рукоятки

вмикаються та вимикаються відповідні силові контакти, що

1

1

3

2 4

Рисунок 6.1 – Типові конструкції шахтних електровозів

а – акумуляторного (тип АМ-8Д); б – контактного (тип К14)

1 – корпус; 2 – акумуляторна батарея; 3 – дуговий струмоприймач;

4 – приводний блок з тяговим електродвигуном, 5 – контролер;

6 – автоматичний вимикач; 7 - фара

4

5

6

7

а

б

198

комутують якірні ланцюги приводних блоків і додаткові резистори

[45].

Для управління швидкісним

режимом електроприводу

шахтного електровоза

застосовують послідовно-

паралельний спосіб. Для

запровадження замалих

швидкостей (початок руху,

маневрові операції) приводні

блоки підключають послідовно

один до одного і послідовно з

ними – групи додаткових

резисторів. У міру розгону

резистори виводять із роботи

(шунтуванням) так, що привод

може бути розігнаний до

швидкості, яка є меншою за

номінальну удвічі. При цьому

обидва приводні блоки

залишаються підключеними один до одного – послідовно, і падіння

напруги на кожному з них є половиною від загальної напруги

живлення. У подальшому постає питання не супроводжуваного

ривком підвищення швидкості приводу, яке реалізується

переключенням приводних блоків з послідовного на паралельне

з’єднання. Ця функція вирішується переключеннями в силовому

ланцюзі відповідно до рис. 6.4. Так, третій позиції відповідає схема із

з’єднаних паралельно приводних блоків (з додатковими

резисторами), коли напруга живлення повністю підводиться до них.

У міру подальшого закорочування додаткових резисторів має бути

досягнутий стан, коли обидва приводні блоки опиняються

ввімкненими, безпосередньо до джерела живлення. Група додаткових

опорів розміщена у відповідній оболонці (скринька опорів) і

розташована безпосередньо на електровозі.

Двигун

Колісна пара

Редуктор

Рисунок 6.2 – Опорно-рамна

підвіска приводного блоку

199

М2

+

+

М1

_

_

М1

М2

К2 К1 ОЗ2

ОЗ2

ОЗ1

ОЗ1

Rдод2

+

_

М1

М2

К3 ОЗ2

ОЗ1 Rдод2

Rдод2

Rдод1

Rдод1

Rдод1

I

II

III

Рисунок 6.4 – Схема переключення приводних блоків рудникового

електровоза з послідовного на паралельне з’єднання

Рисунок 6.3 – Кулачковий контролер

1 – рукоятка руху та гальма;

2 – рукоятка реверсора;

3 – реверсивний барабан; вирізи (4)

та виступи (5) пластикових шайб;

6 – стойка з 11-ма кулачковими

контакторами; 7 дугогасні

камери; 8 – головний барабан;

9 – металевий корпус

200

6.2 Напрями удосконалення електроприводів шахтних

електровозів

6.2.1 Електропривод постійного струму з імпульсним регулюванням

напруги

Відносно низькими параметрами експлуатаційної надійності

відрізняється контролер - силовий контактний комутаційний апарат.

Крім того, принцип реостатного регулювання швидкісного режиму,

що запроваджений у базовому електроприводі постіного струму

шахтних електровозів не є економічним, оскільки значна частина

енергії, споживаної від акумуляторної батареї, або контактної мережі,

перетворюється у теплову енергію нагрівання додаткових резисторів.

Альтернативним технічним рішенням є імпульсний принцип

управління електроприводом (рис. 6.5) [11]. Безконтактне

регулювання величини напруги на тяговому двигуні і струму його

якоря досягається шляхом періодичного відпирання і запирання

тиристора VS1, підключеного в ланці якоря двигуна М. Кутова

швидкість тягового двигуна обумовлюється формою імпульсів

струму якоря, тривалостями цих імпульсів t1 та пауз t2 між ними. У

сукупності вказані тривалості визначаються частотою надходження

імпульсів струму і являють собою параметр скважності імпульсів.

Технічними засобами реалізації цього принципу можуть бути:

керовані тиристори; силові транзистори, або некеровані тиристори за

умови запровадження спеціальної схеми їх примусового відключення

(рис. 6.5,а). Така схема передбачає послідовну подачу відпираючих

імпульсів на тирстори VS1; VS2. При відкритому стані тиристора VS2

буде заряджений конденсатор С2 (через якір двигуна М). Тому при

відпиранні тиристора VS1 цей конденсатор перезаряджаюється через

цей тиристор і ланцюг L2-VD1 до зворотної полярності, запираючи

тиристор VS1. Для запирання основного тиристора VS2 знову

вмикають тиристор VS1, через провідну структуру якого

розряджається ємність С2 у напрямі, зворотному до струму якоря

двигуна. В період паузи через тяговий двигун буде продовжуввати

йти струм за рахунок енергії, що запасена в двигуні і індуктивності.

L1C1 – фільтр призначений для зменшення пульсацій струму в

ланцюзі якоря при імпульсному способі керування.

201

6.2.2 Особливості улаштування високочастотного безконтактного

засобу передачі електроенергії на електроприводи електровоза

В практиці

удосконалення засобів

рудникового

локомотивного

транспорту існує

позитивний приклад

впровадження

безконтактного

електроживлення

двигунів рудникового

електровозу струмами

підвищеної частоти.

Передача електроенергії

VS2

C2 VS1

C1

M1 L1

VD1 L3

VD2

+

_ L2

t t1 t2

U; I U I

a

б

Рисунок 6.5 – Принципова схема засобу імпульсного управління

швидкісним режимом двигуна постійного струму (а) і графіки зміни

напруги і струму при імпульсному управлінні (б)

Рисунок 6.6 – Схема високочастотного

безконтактного живлення електродвигунів

шахтного електровозу

202

від живлячої підстанції до електровозів, що знаходяться у стані руху,

здійснюється за методом електромагнітної індукції струмів високої

частоти, що пояснюється схемою (рис. 6.6). Перетворювальна

підстанція 1 являє собою силовий напівпровідниковий перетворювач

трифазного струму частоти 50 Гц в однофазний струм частоти 5000

Гц. Надалі цей струм подається у тягову мережу 2 (два

високочастотних одножильних кабелі, закріплених біля покрівлі

виробки над рейковою колією 8 симетрично до її осі). Ці кабелі

являють собою замкнений контур з компенсацією індуктивностей

конденсаторами 3, що ввімкнені через певні відстані послідовно з

кожним кабелем. Відстань між лінійними кабелями в мережі має

складати 400 мм.

Енергія струму високої частоти від електроприймача 4 через

випрямляч 5 надходить до електродвигунів 6. Для регулювання

швидкісного режиму двигунів може бути задіяний будь-який з

відомих способів (використання керованого тиристорного

випрямляча з системою імпульсно-фазового управління; імпульсне

управління, реостатне управління). Призначенням конденсаторів 7 є

компенсація ЕРС самоіндукції електромеханічної системи.

Розглянуте технічне рішення забезпечує безконтактне

струмознімання, що відрізняється підвищеним ресурсом і

унеможливлює створення іскріння (у порівнянні із процесом

струмознімання при експлуатації контактного електровоза.

6.2.3 Частотно керований асинхронний електропривод шахтного

електровоза

Експлуатаційні переваги асинхронного двигуна з

короткозамкненим ротором обумовлюють доцільність застосування

його у складі регульованого електроприводу шахтних акумуляторних

і контактних електровозів. Певною завадою у розвитку цього питання

є технічне протиріччя між родом струму джерела живлення

(постійний струм) і родом струму живлення статора двигуна.

Протиріччя вбачається також між величиною вихідної напруги

акумулятора (або напруги контактної мережі (150 170 В) і

номінальною лінійною напругою двигуна, що визначена діючими

нормативами (380 В; 660 В). Тому в складі електроприводу шахтного

електровоза в разі застосування асинхронних двигунів і принципу

203

частотного регулювання швидкості мають бути передбачені

адаптовані схеми перетворювачів частоти.

Прикладом такого перетворювача є схема трифазного

вентильно-трансформаторного інвертора (рис. 6.7) [46]. В основу її

роботи покладені принципи функціонування напівпровідникового

перетворювача частоти з ланкою постійного струму. У даному

випадку функцію цієї ланки виконує акумуляторна батарея

електровоза, або шахтна контактна мережа.

Трансформатор TV1 інвертора виконує узгодження напруг

джерела і двигуна за величиною. Частота трифазної системи вихідних

напруг (на виході А; В; С трансформатора TV1) визначається

частотою та алгоритмом перемикання силових тиристорів VS1-VS4

кожної фази інвертора. Вихідні параметри даної схеми ілюструються

осцилограмами (рис. 6.8). Швидкісний режим асинхронного двигуна

обумовлюється частотою вихідних напруг інвертора, а його

енергетичні параметри коректуються введенням відповідних кутів

провідності силових тиристорів.

Схемотехніка інверторів може відрізнятися від схеми, наведеної

на рис. 6.7. Зокрема, при застосуванні асинхронного двигуна,

спеціального призначення (амплітуда лінійної напруги статора

двигуна дорівнює величині вихідної напруги акумуляторної батареї),

зникає потреба у використанні узгоджувального трансформатора, при

цьому схема автономного інвертора наближається за структурою до

відповідних схем силових напівпровідникових перетворювачів,

поширених у промисловості (рис.1.46).

Рисунок 6.7 – Силова схема трифазного вентильного трансформаторного

інвертора

204

6.2.4 Особливості застосування вентильного реактивного двигуна в

електроприводі шахтного електровозу

Об’єктивні недоліки двигуна постійного струму, обумовлені

наявністю складного у виготовленні і технічному обслуговуванні, не

достатньо надійного вузла – колектора обумовлюють запровадження

альтернативних технічних рішень. Одним з таких є застосування

вентильного реактивного двигуна (ВРД) у якості приводної машини

шахтного електровозу. ВРД являє собою безконтактну електричну

машину, живлення якої здійснюється від джерела постійного струму.

Таким чином, застосування цього двигуна узгоджується з

особливостями джерела живлення як акумуляторного, так і

контактного шахтного електровоза.

Конструкція ВРД (рис. 6.9) передбачає наявність сукупності

магнітних полюсів статора (1) і ротора (2), при цьому, кількість

роторних магнітних полюсів є меншою, аніж статорних. Серед

двигунів середньої потужності поширеними є ВРД з магнітною

системою «8/6» - вісім полюсів статора і шість – ротора [46]. Такий

двигун має 4 фази, кожна з яких виконана двома півобмотками, що

U, B

100

0

-100

I, A

50

0

-50

а

б

20 мс

Рисунок 6.8 – Експериментальні осцилограми фазної напруги (а) і струму (б)

асинхронного двигуна потужністю 10 кВт при живленні від схеми (рис. 6.7):

частота вихідного струму f = 10 Гц; кут провідності тиристорів β = 30 0

205

розташовані на діаметрально протилежних полюсах статора і з’єднані

послідовно.

Принцип роботи ВРД полягає у дискретній зміні станів

електромагнітного поля в робочому зазорі машини за рахунок

імпульсного збудження обмоток полюсів статора. Це збудження

забезпечується силовим вентильним комутатором (СВК), ключі 3

якого по черзі комутують з джерелом електроживлення постійного

струму обмотки фазних полюсів статора ВРД і, тим самим,

перетворюють напругу постійного струму (UDC) у систему фазних

напруг (відповідно до схеми, рис. 6.9, напруги UФ1 - UФ4), що

прикладаються до відповідних полюсних обмоток статора. Таким

чином, живлення фазних обмоток забезпечується однополярними

імпульсами напруги. За наявністю струму у парі полюсних обмоток

рух спрямований на стан, при якому її зубці стають співосними із

зубцями збуджених полюсів статора. Це обумовлює кутове

переміщення ротора на крок, що відповідає зміщенню полюса ротора

відносно полюса статора.

Східчастому характеру зміни напруг на фазах відповідає

дискретне обертання магнітного поля в робочому зазорі двигуна, у

наслідок чого рух ротора складається із послідовних елементарних

кроків [47]. Завдання певної величини кутової швидкості ротора

відбувається зміною частоти переключення статорних полюсів.

Електромеханічні властивості двигуна визначаються, зокрема,

терміном ввімкненого стану півобмоток протилежно розташованих

статорних полюсів, так, що кут повороту ротора визначається ще й

кількістю і тривалістю струмових імпульсів в обмотках статорних

полюсів.

Управління швидкісним режимом ВРД відбувається шляхом

завдання відповідної частоти переключення ключів СВК з

урахуванням відповідних початкового та кінцевого кутових положень

ротора Θon та Θoff за допомогою датчика положення ротора (ДПР) і

відпрацьовується шляхом впливу на силові тиристорні ключі СВК

через драйвери управління.

Наявність ДПР в схемі ВРД є обов’язковою, оскільки пов’язана

з формуванням інформаційного сигналу про просторове положення

полюсів ротора, що є необхідним для здійснення алгоритму

управління полюсами статора. Крім того, створюється можливість

дотримання високих показників потужності двигуна за умови

упереджуючого ввімкнення полюсних статорних обмоток. Датчики

206

струму фаз ВРД виконують допоміжну функцію у напряму корекції

завдання швидкості двигуна за умови дотримання сприятливого

режиму навантаження, захисту приводу від перевантаження.

Таким чином, існує декілька напрямів удосконалення

електроприводу шахтних електровозів. Однак. принциповою є

відмова у перспективі від використання двигунів постійного струму у

+

_

Рисунок 6.9 – Схема ВРД з конфігурацією

магнітної системи «8/6»

1

U Ф

2

СВК ДПР

Драйвери

управління

Мікропроцесорний пристрій

управління

Датчики фазних струмів

Пульт управління

U Ф3

U І

U Ф1

U Ф2

U Ф4

Θon ; Θoff

ω

3

207

якості тягових приводних машин через відносно низький ресурс

щіточно-колекторного вузла, ймовірність перетворення іскріння в

ньому у колекторний вогонь (при зменшенні притиснення

струмопровідних щіток до колектора) із подальшим ушкодженням

всієї електричної машини, відносно високий рівень трудоємності

обслуговування і ремонту двигунів.

Перспективним слід вважати застосування в електроприводі

електричних машин і супроводжуючого електричного обладнання з

безконтактними засобами передачі енергетичних потоків на рухомі

елементи.

Питання для самоконтролю

1. Якими є призначення, улаштування і область застосування

рудникових акумуляторних і контактних електровозів?

2. Яким є улаштування приводного блоку рудникового

електровозу?

3. У чому полягає управління швидкісним режимом

електроприводу постійного струму шахтного електровозу за

наявності реостатних засобів?

4. З якою метою і яким чином виконується переключення

приводних блоків електровозу с послідовного на паралельне

приєднання?

5. Якими є напрями удосконалення електроприводів шахтних

електровозів?

6. У чому полягає принцип імпульсного регулювання швидкості

електродвигуна постійного струму?

7. Розкрити улаштування та принцип дії високочастотних засобів

безконтактної передачі енергії на електропривод шахтного

електровозу

8. Якою є проблематика і принципи улаштування частотно-

керованого асинхронного електроприводу шахтного

електровозу?

9. Якими є особливості улаштування і функціонування

вентильного реактивного двигуна в контексті його можливого

застосування у перспективних розробках електроприводів

шахтних електровозів?

208

РОЗДІЛ 7

ЕЛЕКТРОПРИВОД ШАХТНИХ СТАЦІОНАРНИХ

УСТАНОВОК

Навчальною метою розділу є розгляд особливостей

улаштування і функціонування електроприводів шахтних насосних,

вентиляторних і компресорних установок, Результатом засвоєння

студентами матеріалу розділу є знання принципів побудови

електроприводів шахтних насосних, вентиляторних і компресорних

установок, включаючи схеми та особливості функціонування

технічних засобів управління швидкісними режимами вказаних

стаціонарних установок

7.1 Електропривод насосних установок

Водонасиченість шахтних пластів обумовлює необхідність

застосування потужних систем водовідливу, які складаються з

насосних установок місцевого та головного водовідливу шахти.

Найрозповюдженішими є багатоступінчасті горизонтальні секційні

насоси (рис.7.1).

Рисунок 7.1 – Конструкція багатоступінчастого секційного насосу серії ЦНС

1; 11 – підшипники; 2; 8; – граунд-букси ущильнень; 3 - диск

розвантажувальний; 4 – камера відведення води; 5 – робочі колеса;

6 – шпилька; 7 – камера вводу води; 9 – сальник; 10 – вал ротора;

12 – муфта; 13 – гумовий шнур; 14 – шпонка; 15 - кільце

209

Відповідно до конструкції робочі колеса 5 насоса знаходяться на

робочому валу 10, який за допомогою муфти 12 приєднується до вала

приводного двигуна.

Потужність двигуна P обумовлена величинами подачі Q (м3/год)

та напору Н (м) насоса і з урахуванням ККД насоса ηн та передачі ηп ,

розраховується за формулою [11]:

пн

HkQР

3600 , (7.1)

де k – коефіцієнт запасу (1.2 <k< 1,3 при Q < 160 м3/год; 1.1 <k< 1,15

при Q > 160 м3/год); γ – питома вага шахтної води (кН/м

3).

У якості приводних застосовуються високовольтні, або

низьковольтні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором і

прямим підключенням до мережі. Cилова комутаційна апаратура

а

До ланцюгів управління

б

Рисунок 7.2 – Силова схема (а) і зовнішній вид високовольтного

комплектного розподільчого пристрою КРУВ-6

210

представлена високовольтними комплектними розподільчими

пристроями РВД-6; КРУВ-6 і т.п. (рис.7.2) при напрузі мережі (і

номінальній напрузі двигуна) – 6000 В, або магнітними пускачами

при номінальній напрузі приводного двигуна 660 В, або 1140 В.

Окрім функції силової комутації приводних двигунів, вказані

засоби оснащені пристроями максимального струмового захисту,

захисту від струмових перевантажень, захисного відключення при

зникненні напруги в мережі (нульвий захист), блокування проти

подачі напруги на приєднання з пошкодженою ізоляцією, захисту від

втрати керованості в ланцюгах дистанційного управління [4;5;22].

7.2 Електропривод вентиляторних установок

Процес вуглевидобутку, як правило, супроводжується

виділенням вигільного пилу, а також - газів, які створюють небезпеку

отруєння (СО; СО2); створення вибухонебезпечної метано-повітряної

суміші (СН4). Крім того, у міру заглиблення гірничих робіт зростає

температура оточуючого середовища. Все це потребує стоврення

безпечних і комфортних умов праці робітників у шахті. Так,

відповідно до діючих ПБ, повітря у гірничих виробках повинно

вміщувати кисень у обємі, не менш 20%; вуглекислий газ – не більш

0,5%, а обсяг метану в потоці повітря, що відходить з очисної

дільниці не повинен перевищувати 1%. Все це потребує безперебійне

постачання у шахту свіжого повітря в обсязі, достатньому для

підтримання вказаних нормативних характеристик. Постачання

свіжого повітря в шахту здійснюється вентиляторами головного

провітрювання (рис.7.3), а вентиляція тупикових виробок

виконується вентиляторами місцевого провітрювання (рис.7.4).

В складі електроприводу вентиляторів місцевого провітрювання

застосовуються асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором

(двигуни серії ВРМ або подібної) потужністю у декілька десятків

кВт. Засоби регулювання кутової швидкості приводів вентиляторів

місцевого провітрювання – відсутні.

Режим роботи вентилятора головного провітрювання –

тривалий, а потужність визначається необхідною продуктивністю і

стосовно до значної розгалуженості і протяжності гірничих виробок

сучасних шахт, складає величину у декілька тисяч кВт.

Розрахункова потужність двигуна вентилятора визначається за

формулою:

211

103

В

рP

П

ЗQk, (7.2)

де kз – коефіцієнт запасу; kз = 1,05 – 1,1 – для осьових вентиляторів; kз

= 1,1 – 1,15 для центробіжних вентиляторів; Q - подача вентилятора

м3/с; Р, - тиск вентилятора, Па; ηП ; η В - ККД, відповідно, передачі і

вентилятора.

Суттєвий вплив на роботу

вентилятора головного

провітрювання створює

вентиляційна мережа, тобто –

сукупність всіх виробок, по

яких проходить повітря під

дією вентиляційної установки.

Ця мережа характеризується

таким параметром, як

еквівалентний отвір (А) – такий

умовний круглий отвір, опір

якого є еквівалентним опору

всієї вентиляційної мережі

шахти

pQА /38,0 (7.3)

11

Рисунок 7.3 – Улаштування центробіжного вентилятора головного

провітрювання шахти

1- колектор; 2 – осьовий направляючий апарат(ОНА); 3 – вхідний патрубок;

4 – спиральний корпус з дифузором; 5 – робоче колесо; 6 – головний вал;

7;8 – підшипники; 9 – муфта; 10 – привод ОНА; 11 - двигун

Рисунок 7.4 – Вентилятор місцевого

провітрювання (загальний вид)

212

В процесі експлуатації шахти довжина, перетин і кількість

гірничих виробок змінюються, мають місце витоки повітря між

виробками, не є постійною природна тяга. Це обумовлює зміну опору

шахтної вентиляційної мережі. У той же час, виробнича потужність

шахти теж може бути різною, може мінятися газовиділення із

гірських порід, їхня температура та температура повітря, що

надходить у шахту (у різну пору року). Всі ці обставини

обумовлюють зміну вентиляційного режиму шахти і потребують

застосування регулюючих пристроїв, здатних змінювати

аеродинамічну характеристику вентиляторів при підтриманні

достатньо високого їхнього ККД.

Найбільш поширеним є застосування регулювання

продуктивності вентиляторів головного провітрювання за допомогою

механічних пристроїв при постійній частоті обертання ротора

вентилятора. Це обумовило доцільність застосування синхронних,

або асинхронних двигунів у якості приводних. Механічне

регулювання продуктивності вентиляторів у цьому випадку

відбувається поворотом лопаток робочих коліс осьових вентиляторів;

зміною кута повороту направляючих апаратів центробіжних

вентиляторів. Ці способи здатні виконати економічне регулювання

при не значній зміні продуктивності вентилятора. Якщо є потреба у

глибокій зміні продуктивності вентилятора, то за умови механічного

регулювання його робоча точка переміщується в зону низького ККД,

що не сприяє зменшенню енергоспоживання (рис. 7.5). Це

підтверджується результатами порівняння енергоспоживання

вентиляторної установки (табл. 7.1) при різних засобах регулювання

продуктивності: зміною кута лопатки напарвляючого апарату

(00 < Θ <70

0; ω=495 об/хв); зміною кутової швидкості приводу

(250 об/хв <ω <495 об/хв; Θ = 00) [48].

В залежності від конкретних умов експлуатації та економічних

факторів в гірничій промисловості застосовуються наступні види

регулюємих електроприводів вентиляторів головного провітрювання

шахт:

- синхронний двигун з високовольтним перетворювачем

частоти;

- асинхронний двигун з короткозамкненим ротором і з

перетворювачам частоти (напруги статора);

- асинхронний двигун з фазним ротором за схемою

«асинхронний вентильний каскад»

213

- асинхронний двигун з фазним ротором за схемою «машина

подвійного живлення»

Одна вентиляторна устовка шахти може може мати один, або

два двигуни у складі одного електроприводу.

Таблиця 7.1 – Зіставлення параметрів енергоспоживання при

різних способах регулювання продуктивності вентилятора головного

провітрювання ВЦД47У шахти

Продуктивність Q, м³/с 225 250 275 300 325 350 375 400 425

Потужність на валу

РНА, кВт

(00 < Θ <70

0;

ω=495 об/хв)

1750 1763 1813 1875 2030 2100 2250 2500 2920

Потужність на валу

Роб, кВт

(250 <ω <495 (об/хв);

Θ = 00)

588 750 963 1188 1510 1713 2000 2388 2920

Різність потужностей

ΔР, кВт 1163 1013 850 688 520 388 250 113 0

Структура нерегульованого електроприводу вентилятора

головного провітрювання (на прикладі машини ВЦД47УН)

представлена на рис. 7.6. До складу вентиляційної установки шахти

входить два таких вентилятори (один – у гарячому резерві). Кожен

вентилятор укомплектований двома асинхронними двигунами з

фазним ротором, що приєднані до загального валу. Їхній пуск

здійснюється високовольтними комутуючими пристроями (ВКП) а

управління розгоном - резисторно-контакторними станціями (РС),

при чому, реостатне управління застосовується для уповільнення

розгону. У подальшому, ротори двигунів закорочуються

контакторами.

Застосування системи «машина подвійного живлення» для

підтримання заданого швидкісного режиму асинхронного двигуна з

фазним ротором є поширеним в регульованих приводах

вентиляторних устаровок, пояснюється рис. 7.7 і полягає в

наступному.

214

Перетворювач частоти встановлюється між ланцюгом ротора

асинхронного двигуна і мережею електроживлення. Він здійснює

управління швидкістю двигуна шляхом регулювання потужності

ковзання (що є одним з економічно доцільних способів регулювання).

Крім того, зменшені у порівнянні із статорними електричні

параметри ротора обумовлюють застосування в ланцюзі ротора

перетворювача меншої вартості.

Р, кВт

2600

1600

1000

200

100 200 300 400 500 Q, м3/c

б

Р, кВт

2700

2200

1700

1200

100 200 300 400 500 Q, м3/c

а

Рисунок 7.5 – Аеродинамічні характеристики вентилятора ВЦД47У

з нерегульованим приводом при ω=495 об/хв при встановлених

кутах Θ повороту лопаток направляючого апарату від 00 до 70

0 (а)

та з регулюванням привода за швидкістю (б) при

250 об/хв <ω <495 об/хв; Θ = 00 [48]

00

100

200

300

400

600 50

0

70

0

300 об/хв.

250 об/хв.

400 об/хв.

350 об/хв.

465 об/хв.

450 об/хв.

495 об/хв.

485 об/хв.

215

На рисунку (рис. 7.7) позначені: Рм – потужність, що

відбирається від мережі; Рд – потужність на валу двигуна. При

роботі у рушійному режимі перетворювач частоти виконує

повернення потужності ковзання ротора Рр у живлячу мережу.

Принцип роботи приводу за

схемою «машина подвійного

живлення» полягає у наступному. В

процесі роботи асинхронного

двигуна вектори намагнічуючих сил

(н.с.) їого статора і ротора у просторі

повинні бути нерухомі один

відносно іншого. Однак, н.с. статора

обертається зі швидкістю ω0=2πf/p, а

кутова швидкість ротора ωr є

меншою відповідно до величини

ковзання s. Тому н.с. ротора має

обертатися із кутовою швидкістю:

ω0 - ωr =2πf s (7.4)

Таким чином кутову швидкість

Рисунок 7.6 – Структурна схема нерегульованого електроприводу

установки головного провітрювання шахти з асинхронними двигунами

Секція 1 Секція 2

6000 В; 50 Гц

1ВКП1 1ВКП2 2ВКП1 2ВКП2

Мережа 6 кВ, 50 Гц Рм

ВАЛ

ДВИГУНА

Рисунок 7.7 – Структура

регульованого електропривода

системи «машина подвійного

живлення»

Р1=(Рд/ККД)+Рр Рр/ККД

216

обертання ротора асинхронного двигуна можна підтримувати на

заданому рівні шляхом введення трифазної ЕРС в ланцюг ротора

двигуна, частота якої визначатиме величину ковзання машини.

Практичною реалізацією способу «подвійного живлення»

електричної машини є електропривод вентилятора головного

провітрювання ВЦД-47УР з перетворювачами частоти типу

«ЭРАТОН-ФР-1600-1150-850» (разробка ЗАТ «ЭРАСИБ», Росія) на

базі транзисторного

автономного інвертора

напруги (АІН) із

синусоїдальною

широтно-імпульсною

модуляцією (рис. 7.8).

Перетворювач частоти

вміщує два інвертори

на транзисторах.

Трифазний ланцюг

одного інвертора

підключений до

ротора двигуна

(роторний інвертор

напруги), а іншого –

до вторинної обмотки

узгоджувального

трансформатора

(мережевий інвертор)

через «синусний»

силовий LC-фільтр.

Ланцюги постійного струму обох інверторів з’єднані між

собою і приєднані до накопичуючих конденсаторів, створюючи, тим

самим, проміжний ланцюг постійного струму. Обидва інвертори

управляються за законом синусоїдальної широтно-імпульсної

модуляції. Це забезпечує синусоїдальну форму роторного струму і

струму у живлячій мережі. За рахунок послідовного з’єднання двох

інверторів напруги з проміжною ланкою постійного струму

перетворювач частоти забезпечує двобічний обмін енергією між

ланцюгом ротора двигуна і мережею електроживлення. Процес

управління супроводжується регулюванням струму ротора

асинхронного двигуна, величини його електромагнітного моменту,

Секція 1; 6000 В; 50 Гц

1ВКП-1 1ВКП-2 1ВКП-3

фільтр фільтр

Рисунок 7.8 – Структура електроприводу

вентилятора головного провітрювання з

перетворювачем частоти «ЭРАТОН-ФР»

217

величини і напряму потоку активної потужності в ланцюзі ротора.

Такий спосіб забезпечує роботу двигуна у повному швидкісному

діапазоні (від нульової до номінальної швидкості ротора). Зміна

напряму потоку потужності в роторі дозволяє отримувати режим

рекуперативного гальмування з повертанням енергії обертаючихся

мас в мережу живлення.

В електроприводах вентиляторів головного провітрювання із

синхронними двигунами великої потужності має бути коректно

вирішена задача введення двигуна у синхронізм в процесі пуску, яка

утруднюється завеликим моментом інерції машини через значну масу

ротора. З цією метою застосовуються різні схеми пристроїв

збудження синхронних двигунів. Спосіб введення синхронного

двигуна у синхронізм може бути розглянутий на прикладі схеми

тиристорного автоматичного збудника (рис. 7.9).

На початку пуску двигуна ЕРС обмотки збудження в стані

нерухомого ротора є максимальною, що є достатнім для відпирання

стабілітрону VD1, або VD4. Через це на електрод управління

ДС Керований випрямляч

СІФУ Датчики струму

БАУ

Мережа 6000 В; 50 Гц

R M

VS1

VS2

VD3-VD4

VD1-VD2

Рисунок 7.9 – Схема пристрою тиристорного

збудження синхронного двигуна

+ Rp _

TV1

218

тиристора VS1, або VS2 подається напруга, що призводить до

відпирання вказаного тиристора і створення лвнцюга протікання

струму обмотки збудження двигуна М через резистор R.

Розпочинається процес асинхронного пуску синхронного двигуна М.

В процесі розгону кутова швидкість ротора зростає до підсинхронної,

а ЕРС обмотки збудження зменшується на стільки, що відпирання

стабілітрону VD1, або VD4 припиняється. Тиристор VS1, або VS2

також запирається, і в цей момент розпочинається робота керованого

випрямляча, який подає постійний струм в обмотку збудження

синхронного двигуна і цим вводить його ротор у синхронізм.

З метою автоматичного підтримання постійного коефіцієнта

активної потужності мережі застосовується зворотний звязок за

реактивною потужністю, здійснений за допомогою датчиків струму

статора двигуна і трансформатора напруги TV1. Ці сигнали

обробляються у блоці автоматичного управління (БАУ), на виході

якого формується напруга завдання величини кута відпирання

тиристорів керованого випрямляча. Цей сигнал відпрацьовується

системою імпульсно-фазового управління (СІФУ), яка по 6-и каналах

впливає на моменти відпирання відповідних тиристорів випрямляча.

Підтримка постійності струму збудження синхронного двигуна

досягається зворотним зв’язком за струмом збудження від датчика

струму ДС. Завдання величини струму збудження може бути

встановлене потенціометром Rp, який також призначений для

управління параметрами приводу вручну.

7.3 Електропривод компресорних установок

У залежності від особливостей гірничо-геологічних умов в

окремих гірничих виробках і, навіть, на окремих шахтах застосування

електрифікованих видобувних машин (очисних комбайнів і

видобувних комплексів, у цілому) є не можливим. Це, насамперед,

відноситься до очисних робіт на вугільних пластах крутого падіння,

де видобуток вугілля і насьогодні ведеться вибійними молотками із

використанням пневматичної енергії. Крім того, споживачами

пневматичної енергії є гіровози (локомотиви, джерелом руху яких є

кінетична енергія обертання маховика із значним моментом інерції,

обертовий рух якого запроваджений під дією струму стиснутого

повітря), ерліфтні установки в шахтах з гідравлічним способом

транспортування гірської маси на поверхню, та деякі інші

219

технологічні установки. Джерелами пневматичної енергії є

компресори, які можна поділити на поршневі машини та

турбокомпресори. Потужність електродвигуна компресора

визначається з виразу [11]:

ПK

П

К

QАР , (7.5)

n

n

П ppVpАn

n1

11 121/ , (7.6)

де АП – робота, що витрачається на стиснення повітря при

політропічному процесі; n – показник політропи, що визначається з

виразу constpVn ; р1 та р2 – відповідно, початковий та кінцевий тиск

повітря; V1 – початковий об’єм повітря при всмоктуванні; Q –

продуктивність (подача) компресора; ηК – індикаторний ККД

компресора, що враховує втрати в ньому при реальному процесі; ηП –

ККД механічної передачі між двигуном та компресором.

Обраний двигун має мати потужність, не меншу, ніж

розрахована за формулою (7.5). Статичне навантаження поршневого

компресора визначається силою, що діє на поршень:

F=ΔpS, (7.7)

де Δp - різність між вихідним та вхідним тиском на поршень; S –

площа поршня.

В кривошипному механізмі поршневого компресора момент

опору на валу має пульсуючий характер:

МОП = ΔpSRsinωt, (7.8)

де R – радіус кривошипу; ω – кутова швидкість вала компресора.

Амплітудне значення моменту опору визначається виразом:

МОПmax = ΔpSR (7.9)

З метою зменшення пульсуючого впливу моменту опору

поршневі компресори обладнують маховиками, або вживають

електродвигуни з підвищеними моментами інерції.

220

Продуктивність роботи компресорних установок, як правило,

регулюють: зміною кутової швидкості вала компресора; зміною

кількості паралельно працюючих компресорів при постійній кутовій

швидкості кожного з них, або дроселюванням перед входом у

компресор.

Електропривод поршневих компресорів з нерегульованою

швидкістю, як правило, є безредукторним і обладнується

асинхронними двигунами, а також, тихохідними синхронними

двигунами. Турбокомпресори відрізняються великою кутовою

швидкістю обертання вала. Вони оснащуються високошвидкісними

асинхронними, або синхронними двигунами та передбачають

мильтиплікаторну (підвищуючу) механічну передачу між двигуном і

робочим органом.

Широко розповсюджений у попередні роки спосіб регулювання

режиму роботи турбокомпресорів дроселюванням у всмоктуючому

трубопроводі із одночасною роботою його «на вихлоп» в атмосферу є

неекономічним. Тому перевагу слід віддавати способам регулювання

кутової швидкості приводного двигуна (частотне регулювання). У

деяких випадках, з метою регулювання швидкісного режиму

турбокомпресора у якості приводного застосовують асинхронний

двигун з фазним ротором, створюючи систему «машина подвійного

живлення», аналогічну до описаної в п.7.2 (рис. 7.7).

221

Питання для самоконтролю

1. Якими є призначення, улаштування і область застосування

насосів головного та місцевого водовідливу шахти?

2. Якими є призначення, улаштування і область застосування

вентиляторів головного та місцевого провітрювання шахти?

3. Якими є призначення, улаштування і область застосування

шахтних поршневих компресорів та турбокомпресорів ?

4. Яке електроустаткування запроваджене для комутації силових

високовольтних ланцюгів електроприводів насосних установок?

5. У чому полягають переваги регулювання продуктивності

вентилятора головного провітрювання зміною кутової

швидкості приводного двигуна?

6. Розкрити принципи застосування асинхронного електроприводу

(двигуни з фазним ротором) у регульованому електроприводі

шахтної вентиляторної установки?

7. Якими є особливості побудови і роботи схеми «машина

подвійного живлення» стосовно до електроприводів шахтних

стаціонарних установок?

8. Якими є області застосування синхронних двигунів стосовно до

електроприводів шахтних стаціонарних установок? Як

відбувається керування пуском і розгоном синхронного двигуна,

регулювання його швидкісних параметрів?

9. Як визначаються розрахункові величини потужностей

електродвигунів шахтних стаціонарних машин і установок?

222

РОЗДІЛ 8

БЕЗПЕКА ЕКСПЛУАТАЦІЇ ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ

МАШИН І УСТАНОВОК ШАХТ І РУДНИКІВ

Навчальною метою розділу є розгляд основних положень

нормативних документів, якими регламентовані принципи,

організаційні та технічні рішення щодо безпечної експлуатації,

ремонтних та налагоджувальних робіт в електроприводах машин і

установок шахт і рудників.

8.1 Вимоги безпеки систем управління і електропостачання

електроприводів вибійних машин

Відповідно до Правил безпеки у вугільних шахтах [49;50] всі

вибійні машини повинні приєднуватися до мережі за допомогою

магнітних пускачів або спеціальних комплектних пристроїв

управління (КПУ). Управління цими апаратами повинне

здійснюватися дистанційно з пультів, розташованих на самих

машинах, або поблизу них. Машини із багатодвигуневим приводом,

на яких для управління окремими електродвигунами встановлені

КПУ або ручні вимикачі, повинні приєднуватися до мережі за

допомогою пускачів з дистанційним управлінням. Для подачі напруги

на вибійні машини в шахтах, небезпечних за газом або пилом,

повинні застосовуватися пускачі і КПУ з іскробезпечними схемами

управління [49: 51]. Схема управління пускачами, призначеними для

подачі напруги на вибійні машини, повинна забезпечувати: захист від

мінімальної напруги; автоматичний контроль заземлення корпуса

машини; захист від мимовільного включення пускача при замиканні у

ланках управління, електричне блокування, що виключає подачу

напруги на машину при аварійному стані ізоляції.

Забороняється застосовувати: однокнопкові пости для

управління магнітними пускачами, крім випадків, коли ці пости

призначені тільки для відключення; схеми, що допускають пуск

машин або подачу напруги на них одночасно з двох і більше пультів

управління.

223

Перед виконанням ремонтних і допоміжних робіт на рухливих

частинах машин напруга повинна бути знята і вжиті заходи, що

виключають раптовий пуск машини.

Система управління машиною або комплексом машин повинна

забезпечувати безпечне управління з місць, обумовлених

конструкцією машини (комплексу) і прийнятою технологічною

схемою ведення гірничих робіт, як у нормальному режимі

експлуатації, так і при ремонті, технічному обслуговуванні.

Система управління повинна забезпечувати: включення машини

(подачу напруги) короткочасним впливом на орган керування; подачу

попереджувального сигналу перед початком роботи машини;

оперативну зупинку машин і механізмів та відключення живлення;

аварійне відключення машини (комплексу); здійснення всіх

блокувань, пов'язаних з технологією роботи, а також передбачених

для забезпечення безпеки експлуатації машини (комплексу).

При необхідності управління машиною з різних місць

допускається наявність декількох пультів, за умови застосування

пристрою для переводу управління з одного пульта на інші.

В системі управління машинами вибійного комплексу всі засоби

контролю та захисту від виникнення виробничих небезпек,

пов'язаних із включенням машин або подачею напруги, повинні

включатися в роботу до пуску машин і до подачі (появи) напруги в

місці, де може виникнути виробнича небезпека. За наявності в

системі управління декількох аварійних вимикачів з дистанційним

відключенням вони повинні відключатися одночасно за командою з

одного органа управління.

Вибійні машини з декількома робочими органами, спільна

робота яких технологічно не допускається або не передбачається,

повинні мати блокувальні пристрої, що забороняють одночасне

включення цих робочих органів.

При дистанційному або автоматичному управлінні машиною, у

тому числі при управлінні по радіо з будь-якої відстані, повинне

передбачатися також і управління з пульта, розміщеного на машині, у

режимах налагодження, випробування та ремонту.

Всі елементи схеми управління (кнопки, вимикачі, реле і т.п.),

що забезпечують аварійне або оперативне зняття напруги, зупинку

машин і механізмів, припинення руху машин і їх робочих органів,

захист від небезпечних режимів роботи, повинні працювати на

розмикання ланцюга управління. Зовнішні ланцюги схем управління

224

апаратами, призначеними для подачі напруги на електропривод

машини в шахтах, небезпечних за газом або пилом, повинні мати

іскробезпечні параметри.

Система управління повинна забезпечувати автоматичну подачу

попереджувального сигналу при впливі на органи пуску машини або

її окремих частин. Допускається повторне включення без

попереджувального сигналу, якщо проміжок часу після відключення

перед повторним включенням не перевищує 5 с. Для машин, що

виконують операції шляхом багаторазових переміщень, допускається

наявність роздільних органів для подачі сигналу і для включення

машини за наявності блокування, що забезпечує пуск машини тільки

після подачі попереджувального сигналу необхідної тривалості і не

пізніше ніж через 10 с після закінчення надходження сигналу.

Для машин, що автоматично виконують циклічні рухи (струги,

скрепер-струги і т.п.), сигнал повинен подаватися автоматично перед

першим включенням кожного із приводів (струга або конвеєра).

Схема управління машинами повинна блокуватися із системами

пилоусунення для виключення роботи машини при неробочому стані

засобів пилоусунення і при порушенні режиму їхньої роботи.

Система управління насосними станціями очисного комплексу

повинна забезпечувати управління ними з пульта, розміщеного на

КПУ, і відключення із кнопкових постів, розташованих вздовж лави.

Автоматична зупинка насосної станції повинна забезпечуватися при

неприпустимих витоках з гідросистеми робочої рідини та при

недостатній її кількості у баку станції.

У видобувних машинах, крім стругових установок, необхідно

передбачати поблизу ріжучих органів кнопки із самофіксацією, що

виключають включення комбайна і конвеєра лави при огляді, ремонті

та технічному обслуговуванні робочих органів. Якщо пульт

управління комбайном перебуває поблизу ріжучого органа, то роль

такої кнопки можуть виконувати кнопки "Стоп" з фіксацією,

розташовані на загальному пульті управління комбайном і конвеєром.

На пультах управління видобувних машин при застосуванні

конвеєрних засобів транспорту повинні передбачатися кнопки для

зупинки вибійного конвеєра, із фіксацією їх у відключеному стані.

Електричні схеми управління гірничими машинами повинні

передбачати автоматичне відключення електродвигунів при їхньому

перекиданні, стопорінні, пуску, що не відбувся.

225

8.2 Вимоги безпеки при застосуванні систем управління

окремими гірничими машинами

Система управління очисним комбайном, конвеєром і

запобіжною лебідкою, що працюють у єдиному комплексі, повинна

забезпечувати: управління комбайном з винесеного пульта або з

пульта, розташованого безпосередньо на машині; управління

конвеєром з пульта комбайна і з місця розташування пунктів

розвантаження (перевантаження); оперативне відключення конвеєра

та блокування його включення із кнопкових постів, розташованих

вздовж лави; автоматичне управління запобіжною лебідкою залежно

від напрямку подачі комбайна, місцеве управління в режимі

налагодження (допускається замість автоматичного управляти

лебідкою з пульта комбайна); дистанційне аварійне відключення

машин і механізмів із кнопкових постів, розміщених вздовж лави, з

пульта комбайна і з центрального пульта комплексу; блокування

включення комбайна, конвеєра, винесеного механізму подачі

комбайна із зони розташування ріжучих органів комбайна;

автоматичну подачу попереджувального сигналу перед включенням у

роботу комбайна, конвеєра і запобіжної лебідки.

Очисні комбайни для крутих пластів повинні бути оснащені

винесеними пультами управління (ВПУ). На ВПУ в очисному вибої

повинні бути передбачені органи управління всіма машинами і

механізмами, а також органи керування підйомом і опусканням

робочих органів комбайна. При управлінні машинами і механізмами

зі штреку на ВПУ, розташованому біля комбайна, повинні бути

органи аварійного відключення всіх машин і механізмів. Система

управління комбайном, його подавальною частиною, запобіжною

лебідкою та кабелешлангопідбиральником повинна забезпечувати:

управління за реверсивною схемою системою подачі, запобіжною

лебідкою і кабелешлангопідбиральником з пульта; блокування

включення подачі комбайна до включення в роботу його ріжучих

органів; автоматичне управління кабелешлангопідбиральником

залежно від напрямку руху; місцеве управління системою подачі,

запобіжною лебідкою та кабелешлангопідбиральником з пультів,

розміщених поблизу зазначених машин і механізмів (при виконанні

ремонтних робіт); аварійне відключення машин і механізмів

комплексу з пультів комбайна, а також з пультів по лаві (при

наявності механізованого кріплення); автоматичне включення подачі

226

води для зрошення при роботі комбайна по видобутку вугілля і

блокування, що забороняє його роботу при несправності або

невідповідності параметрів системи зрошення; керування швидкістю

подачі комбайна; автоматичну синхронізацію швидкостей

переміщення комбайна, каната запобіжної лебідки і робочого органу

кабелешлангопідбиральника.

Система управління щитовими агрегатами для крутих пластів

повинна забезпечувати: автоматичну подачу попереджувального

сигналу перед пуском тільки конвеєр-струга; пуск і зупинку двигунів

конвеєр-струга і насосної станції з пульта місцевого або

дистанційного управління; дистанційне або місцеве управління:

швидкістю подачі конвеєр-струга; положенням конвеєр-струга щодо

бічних порід; управління процесом пересуву секцій кріплення із

загального пульта або з пультів, розташованих на секціях, суміжних з

тими, що пересуваються; відключення конвеєр-струга з кнопкових

постів, розташованих через кожні 10 м по довжині вибою,

Схема управління комбайном і запобіжною лебідкою повинна

забезпечувати автоматичний і ручний режими роботи, а також

блокування, що запобігає включенню лебідки з пульта управління

комбайном при його огляді, налагодженні та ремонті.

У стругових установках пульти управління повинні

розташовуватися з боку виробленого простору. На центральному

пульті управління повинні міститися органи управління стругом,

конвеєром, насосними станціями, аварійного відключення і зміни

режимів роботи установки (робочий і налагоджувальний). На пульті

помічника машиніста повинні міститися органи для відключення

стругової установки і конвеєра. На виносному пульті повинні бути

органи управління стругом, конвеєром і аварійним відключенням.

Система управління струговою установкою повинна

забезпечувати: автоматичне відключення приводів струга при підході

робочого органа до кінцевих положень; реверсування привода струга

на заданій ділянці лави; електричне блокування, що запобігає:

одночасному включенню струга або конвеєра з декількох місць;

блокування, включенню струга і конвеєра при ремонті, технічному

обслуговуванні, при уведеному стопорному механізмі. Має

забезпечуватися можливість роздільного управління приводами

струга і конвеєра із центрального пульта (у режимі ремонту);

оперативне відключення конвеєра і блокування його включення із

кнопкових постів, розташованих по довжині лави; відключення

227

привода струга з пульта помічника машиніста; дистанційне аварійне

відключення електроенергії з усіх струмоприймачів стругової

установки, за командами з центрального і виносного пультів

управління, а також із кнопкових постів, розташованих вздовж лави.

Схема управління вибійним скребковим конвеєром повинна

забезпечувати роздільне включення верхнього і нижнього приводів.

Відключення конвеєра повинне бути передбачене за командою

пристроїв, розміщених по довжині лави, відстань між якими не

повинна перевищувати 10 м.

Поблизу приводних блоків вибійних конвеєрів має бути

передбачена кнопка з фіксацією (блокувальна) для утворення

команди на зупинку конвеєрів, а в разі необхідності - не допущення

їхнього пуску. Для приєднання цієї кнопки на всіх електродвигунах,

якими комплектують конвеєри, мають бути передбачені додаткові

кабельні вводи. У якості блокувальної може використовуватися

кнопка "Стоп конвеєра" абонентської станції при її розташуванні

безпосередньо поруч із приводним блоком конвеєра.

У прохідницьких комбайнах кнопки "Стоп" з фіксацією, які

призначені для блокування пуску в хід комбайна при огляді його та

при виконанні допоміжних операцій поблизу комбайнів, повинні

знаходитися по обидва боки машини. Прохідницькі комбайни

вибірної дії повинні бути обладнані кнопкою "Стоп" з фіксацією.

Місцезнаходження кнопки має бути придатним для забезпечення

спостереження за положенням виконавчого органа. Прохідницькі

комбайни з роторним виконавчим органом повинні бути обладнані

винесеною кнопкою "Стоп" з фіксацією.

Для захисту електромережі і рудникових електродвигунів від

перевантаження застосовується апарат контролю типу "КОРД", що

забезпечує захист електродвигунів гірничих машин при перекиданні і

не здійсненому пуску, при обриві фази і контролює роботу двигуна за

величиною споживаного струму (від 24 А до 500 А).

У процесі експлуатації вибійних машин виникає необхідність

негайно відключити всі машини комплексу. Це буває у випадку, коли

магнітні пускачі (фідери КПУ) виходять з ладу і машину неможливо

зупинити, наприклад, при взаємному заклинюванні комбайна і

конвеєра негабаритними предметами, при виникненні пожежі,

раптовому викиді і загазуванні вибою, забурюванні комбайна та

інших аваріях і небезпеках.

228

Для таких випадків засоби відключення повинні мати

примусовий, наприклад пружинний або ручний, розрив силових

контактів. У системі електропостачання вибійних машин такий

вимикач повинен бути розрахований на розрив сумарного струму, що

складається зі струму найбільш потужного електродвигуна при

загальмованому роторі і номінальних робочих струмах інших

електродвигунів. Для машин з декількома електродвигунами, що

працюють на один твердий вал або ланцюг, вимикач повинен бути

розрахований на відключення сумарного струму всіх одночасно

загальмованих електродвигунів. Аварійний вимикач із ручним

керуванням повинен відключатися від одного руху рукоятки.

Для машин із багатодвигуневим приводом (навантажувальні

машини, прохідницькі комбайни, вугільні комбайни), що мають

штепсельне приєднання кабелів, КПУ і дистанційне управління

пускачем, що подає напругу, застосування засобів аварійного

відключення не є обов'язковим. Відсутність вимикачів для

відключення в аварійних режимах компенсується наявністю в

ланцюгах живлення кожного електродвигуна двох послідовно

з'єднаних контакторів - магнітного пускача і КПУ машини. У цьому

випадку контактор пускача, як правило, працює без навантаження і

тому він забезпечує надійне відключення електроенергії машини.

Аварійне відключення за допомогою ручних вимикачів

вибійних конвеєрів, комбайнів, що експлуатуються на крутих пластах

і керованих дистанційно або з винесених пультів, є неможливим,

оскільки в цих випадках пульт керування віддалений від машини. Для

таких машин застосовують вимикачі з дистанційним відключенням.

У механізованих видобувних комплексах відключення в аварійних

режимах передбачається з пульта комбайна і постів зв'язку по лаві.

Безвідмовність роботи вимикача з дистанційним відключенням має

забезпечуватися самоконтролем справності схеми керування, тобто

будь-які несправності схеми призводять до відключення вимикача.

Необхідність термінового відключення електроенергії обумовлює

обов'язкове розташування органів управління вимикачем на одному

пульті з органами управління машиною.

У зв'язку з великою енергооснащеністю механізованих вибійних

комплексів потрібен розподіл живлення машин, що вирішується

установкою кількох фідерних вимикачів. У цьому випадку система

управління машинами повинна бути виконана таким чином, щоб їхнє

відключення проводилося одночасно від одного органа управління.

229

Поряд із застосуванням вимикачів з дистанційним

відключенням обов'язковим є обладнання виймальних машин

ручними роз'єднувачами з метою надійного роз’єднання живильного

машину електричного кола при відключеній напрузі і цим - створення

безпечних умов для огляду і ремонту. Наявність ручного роз'єднувача

не потрібна для стругових установок і очисних комбайнів, у яких

передбачені пристрої для провертання робочих органів без подачі

напруги на машину або забезпечене провертання виконавчих органів

вручну. Кабелі до цих машин повинні приєднуватися за допомогою

електричного з'єднувача, установленого в зручному для монтажу і

демонтажу місці.

Виконання схемою управління функцій контролю заземлення

передбачає постійне електричне приєднання її джерела живлення

через заземлюючу жилу кабелю до корпусів пересувних машин,

електроапаратури розподільного пункту дільниці і заземлюючого

електроду. Вивід потенціалу від трансформатора живлення схем

управління корпуса машин і електроустаткування може бути

причиною іскріння при обриві заземлюючої жили кабелю і

провідників схеми місцевого заземлення. У зв'язку із цим у шахтах,

небезпечних за газом або пилом, схеми управління, з'єднані з

ланцюгами заземлення, повинні бути іскробезпечними [49; 51].

Питання для самоконтролю

1. Які види захистів повинні забезпечувати схеми управління

пускачами, призначеними для подачі напруги на вибійні машини?

2. Чи можливо застосовувати однокнопкові пости для управління

магнітними пускачами? Якщо можливо, то у якому випадку?

3. Чи можливо виконувати пуск машини, або подачу напруги на

неї з двох і більше пультів управління?

4. Які функціональні вимоги пред’явлені до систем управління

машиною?

5. Які вимоги пред’явлені до елементів системи управління при

аварійній, або оперативній зупинці гірничих машини?

6. В чому полягають вимоги до систем управління гірничими

машинами в частині автоматичної подачі попереджувального

сигналу?

7. З якою метою передбачається блокування схеми управління

гірничими машинами та їх системи пилоусунення?

230

8. Якими є вимоги безпеки, що повинні бути застосовані у

системі управління очисним комбайном, конвеєром і запобіжною

лебідкою, що працюють у єдиному комплексі?

9. Якими є особливості вимог безпеки до систем управління

очисними комбайнами для крутих пластів?

10. Де повинен розташовуватись пульт управління струговою

установкою?

11. На якій відстані повинні розміщуватися у лаві пристрої для

відключення скребкового конвеєра?

12. Де розташовуються кнопки «Стоп» з фіксацією на

прохідницьких комбайнах, та яке їх призначення?

13. Яким чином виконується схемою управління машиною

контроль її заземлення?

231

Додаток 1

Параметри асинхронних двигунів електроприводів гірничих

машин і установок (номінальна напруга Uн = 660В)

Параметр Типи асинхронних двигунів (схема статора «Y»; число пар

полюсів р=2; синхронна кутова швидкість ωо=1500 об/хв.)

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

J. кґ м 2 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 Типи асинхронних двигунів (схема статора «Y»; число пар

полюсів р=2; синхронна кутова швидкість ωо=1500 об/хв.)

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

J. кґ м 2 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

232

Додаток 2

Електромеханічні характеристики асинхронних двигунів

з водяним охолодженням електроприводів гірничих машин

Параметр Типи асинхронних двигунів (режим роботи за ГОСТ 183-74 - S1

ЭКВ2.5-7,5-01 ЭКВ2.5-7,5-02 ЭКВ4-30-6-03 ЭКВ4-45-6

Pн. кВт 7,5 7.5 30 45

Uн. В 1140 660 950 1140

Ін,А 5,9 5,3 24,5 29,4

Іп,А 29,7 48 125 138

ωн; об/хв 1421 1421 972 972

sн. % 5,3 5,3 2.8 4

η.% 80 80 90 88

cosφ 0,8 0,8 0,85 0,88

МП нач. Hм 126 126 440 672

Ммах. Hм 111 111 760 995

МН. Hм 50,5 50,5 295 448

Іп/Ін 5,0 4,8 5.1 4,7

Мп/Mн 2,5 2,5 1,5 1,5

Mmax/Mн 2.2 2.2 2,6 2,2

Діапазон

частоти

струму. Гц

-

-

2,5 - 100 2,5 - 150

Параметр Типи асинхронних двигунів (режим роботи за ГОСТ 183-74 - S1

ЭКВК 3,5-200-01 ЭКВ4-200В ЭКВК4-220 2ЭКВЭ4-200М

Pн. кВт 200 200 220 220

Uн. В 1140/660 1140/660 1140/660 1140/660

Ін,А 129/223 129/223 142/246 142/246

Іп,А 767/1327 851/1472 847/1463 847/1463

ωн; об/хв 1446 1478 1470 1470

sн. % 3.6 1.48 1.5 1.5

η.% 91,4 93.74 92 92

cosφ 0,85 0,837 0,85 0,86

МП нач. Hм 2115 2545 2844 2844

Ммах. Hм 3000 3359 3646 3646

МН. Hм 1321 1292 1424 1472

Іп/Ін 5,95 6,6 5,96 5,96

Мп/Mн 1.6 1.97 2 2

Mmax/Mн 2.27 2,6 2,56 2,56

233

Додаток 3

Технічні характеристики двошвидкісних асинхронних двигунів

(номінальна напруга мережі – 1140 В)

Тип Потуж-

ність,

кВт

Кутова

швидкість,

номінальна,

об/хв.

ККД,

%

cosφ Ммах /Мн Мп/Мн Іп/Ін

ЭДКВФ315 S12/4 55 490 84,5 0,54 - 3,0 3,4

160 1480 92,8 0,84 3,0 3,0 6,5

ЭДКВФ315 M12/4 65 480 85,0 0,62 - 2,8 3,7

200 1480 93,0 0,84 2,4 2,4 6,0

ЭДКВФ315 L12/4 85 480 87,3 0,63 - 2,7 3,6

250 1480 92,8 0,85 2,7 2,0 7,0

ЭДКВФ355 S12/4 105 485 85,4 0,59 - 2,6 3,6

315 1485 92,5 0,87 2,5 2,0 7,4

Додаток 4

Технічні пристрої вентильного каскаду вибухозахищеного,

рудникового УВКВ-250 У5

Призначення – управління асинхронним двигуном з фазним ротором

за системою асинхронного вентильного каскаду для електроприводу

підйомних машин, конвеєрів, монорельсових доріг і інших машин у

шахтах, небезпечних за газом (пилом).

Найменування параметру Величина Номінальна напруга мережі, В 660

Частота мережі, Гц 50

Максимальна потужність двигуна, кВт 250

Номінальне навантаження, А 320

Діапазон регулювання швидкості 1…20

Точність підтримання швидкості, % 10

Режим роботи Тривалий

Охолодження при потужності двигуна до 160 кВт Повітряне, природне

Охолодження при потужності двигуна більш, ніж

160 кВт

Водяне, примусове

234

Додаток 5

Технічні характеристики рудникових напівпровідникових

силових перетворювачів

Перетворювач частоти ПЧВ-250 У5

вибухозахищений призначений для

управління і захисту асинхронного

короткозамкненого двигуна підземної

підйомної машини потужністю до 250

кВт в мережі напругою 660 В частоти

50 Гц.

Перетворювач частоти ПЧВ-К У5 вибухозахищений призначений для

регулювання швидкості і захисту асинхронних короткозамкнених

двигунів приводів гірничих машин сумарною потужністю до 500 кВт

в мережі напругою 660 В частоти 50 Гц.

Найменування параметру Тип перетворювача

ПЧВ-250 ПЧВ-К У5

Величина Величина

Номінальна потужність

навантаження, кВт

250 132; 160; 200; 315; 400;

500

Кратність перевантажен-

ня за струмом (60с)

1,5

Припустима сумарна

потужність двигунів

навантаження, кВт

250 500

Діапазон регулювання

частоти, Гц

1 … 50 0…200

Функції загальні Повільний пуск і регулювання частоти обертання

приводного двигуна

Функції відміннісні Автоматичне підтриман-

ня заданої кутової

швидкості приводного

двигуна при зміні

статичного навантажен-

ня. Безконтактне ревер-

сування двигуна.

Електричне гальмування

двигуна з рекуперацією

енергії в мережу

Автоматичне

підтримання заданої

продуктивності

технологічної установки

шляхом регулювання її

швидкісного режиму

ПЧВ-250

235

Технічна характеристика рудникового напівпровідникового

силового перетворювача УКЧВ-132

Додаток6

Призначення – повільне

регулювання швидкості

асинхронного

короткозамкненого двигуна

стрічкових конвеєрів, канатно-

крісельних доріг, вентиляторів,

приводів подачі очисних

комбайнів. Пристрій забезпечує

повільний пуск асинхронного двигуна з розгоном до заданої кутової

швидкості при обмеженні струму споживання; тривалу роботу

двигуна на зменшеній швидкості, у т.ч. на одній з 8-ми

запрограмованих швидкостей; роботу в режимі пускача; управління

роботою групи двигунів, підключених до одного пристрою.

Найменування параметра Величина Номінальна напруга мережі, В частоти 50 – 60 Гц 660

Максимальна потужність двигуна, кВт 132

Діапазон регулювання вихідної частоти, Гц 3 … 60

Програмне завдання темпу розгону і гальмування, с 1 …250

Додаток 7

Технічна характеристика пристрою управління тиристорного

вибухозахищеного серії УКТВ

Пристрій призначений для забезпечення дистанційного

повільного керованого пуску тривалістю від 1 с до 15 с; динамічного

гальмування і відключення асинхронного двигуна гірничої машини в

мережі напругою 660/1140 В. Застосування пристрою дозволяє

виключити із системи гідромуфту як один з самих не надійних

елементів приводу. Кількість пусків приводу від УКТВ – 6 за годину. Тип Напруга мережі, В Загальна потужність навантаження, кВт

УКТВ-1-400 660 1х160; 1х250; 1х 315; 2х100; 2х160

1140 1х250; 1х315; 2х160; 2х250; 2х315

УКТВ-2-250 660 2х90; 2х110; 1х160; 1х250

1140 2х90; 2х110; 2х132; 1х160; 1х250

236

Додаток 8

Технічна характеристика апаратів серії АПМ 1

управління пуском електропривода гірничої машини

Апарати серії АПМ 1 призначені для повільного керованого

пуску асинхронних електроприводів гірничих машин, повільного

гальмування приводних асинхронних двигунів в індукційно-

динамічному режимі з можливістю завдання гальмового моменту.

Галузь застосування:

- апарат АПМ1У – однодвигуневі та дводвигуневі

електроприводи шахтних стрічкових конвеєрів (у складі приводу -

асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором);

- апарат АПМ1У.П - електроприводи шахтних стрічкових

конвеєрів; канатно-крісельних доріг, насосних станцій (у складі

приводу - асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором);

- апарат АПМ1У.К електроприводи гірничих машин з

важкими умовами пуску, змінним характером навантаження;

глибоким регулюванням швидкості (скребкові та стрічкові конвеєри;

монорейкові дороги; насосні станції).

Найменування

регламентованого параметру

Тип апарата

АПМ1У АПМ1У.П АПМ1У.К

Номінальна напруга, В 660/1140

Номінальний струм, А 400/250 250

Номінальна потужність

двигуна споживача, кВт

400/250

Тривалість пуску, с 5; 10; 15; 20 0 … 20 0 … 20

Діапазон регулювання

зменшеної швидкості,

% від ωном

не передбачено

0 … 30

Кількість пусків у годину з

інтервалом 1 хв.

6 - 8

Кількість пусків у робочу

зміну

30

237

Додаток 9

Технічна характеристика комплекту вибухобезпечного EZSO

для повільного пуску в функції «soft-start» електроприводів

Схема EZSO являє собою комплект пускачів у сукупності із

двома тиристорнимми регуляторами напруги. Цей комплект

призначений для управління повільним пуском в функції «soft-start»

електроприводів, повільним вибігом асинхронних двигунів з

короткозамкненим ротором, а також їх динамічним гальмуванням

[31]. По закінченні заданої тривалості пуску контактором

шунтуються напівпровідникові ключі в фазах тиристорних

регуляторів напруги.

Параметр EZSO1 P04 EZSO2

Номінальна напруга мережі, В 660/1140

Максимальний струм

навантаження, А

4х200, або 2х400 2х200, або 1х400

Діапазон заданого часу пуску. с 1 ...25

тривалість стрибка струму – 0,1 ... 5 с

Діапазон заданого часу

гальмування. с

1 ...25

Максимальне обмеження струму. А 4х1000, або 2х2000 2х1000, або 1х2000

Додаток 10

Технічні характеристики рудникового пристрою УВППД-315

повільного пуску в функції «soft-start» електроприводів

Найменування параметру Значення

параметру

Номінальна лінійна напруга, В 1140 / 660

Номінальний струм, А 315

Максимальна потужність

керованого електродвигуна,

кВт

474 / 274

Заданий термін повільного

пуску двигуна, с

5 - 30

238

Додаток 11

Технічна характеристика пристроїв повільного пуску

вибухозахищених УПП

Пристрій повільного пуску серії

УПП призначений для управління

пусковими режимами асинхронних

двигунів з короткозамкненим ротором

в електроприводах гірничих машин.

Основна галузь застосування –

електроприводи шахтних стрічкових

конвеєрів [52].

Схема УПП являє собою силовий

тиристорний комутатор з мікропроце-

сорною системою управління,

Пристрій виконаний у рудниковій вибухозахищеній оболонці,

оснащений всім комплектом технологічних захистів. Підключається

між магнітним пускачем і статором асинхронного двигуна,.

Основні технічні властивості:

- автоматичний вибір і виконання оптимальної програми

розгону асинхронного електропривода у залежності від рівня його

завантаженості;

- підтримання зменшеної (ремонтної) швидкості привода в

обох напрямках;

- виконання режимів форсованого і прямого пусків

асинхронного двигуна;

- енергонезалежна пам'ять всіх подій з відмітками часу;

- контроль вхідних і вихідних параметрів мережі;

- можливість обміну інформацією з іншим обладнанням по

інтерфейсу RS-485.

Технічні характеристики пристроїв УПП

Тип Напруга мережі,

В

Номінальний струм

навантаження, А

Потужність

двигуна, кВт

УПП-125 660/1140 125 до 110 /до 160

УПП-160 660/1140 160 до 160 /до 250

УПП-250 660/1140 250 до 250 /до 400

УПП-320 660/1140 320 до 315 /до 500

239

Додаток 12

Технічна характеристика комплексу програмно-апаратного

типу КПА для управління і захисту підземних підйомних машин

Комплекс призначений

для управління, захисту,

сигналізації і діагностики

обладнання підземних

підйомних машин в умовах

вугільних шахт, небезпечних

за газом та пилом і має

наступні виконання:

- за типом головного

привода – асинхронний двигун

з фазним ротором з рідинним

реостатом, або асинхронний

двигун з короткозамкненим

ротором і перетворювачем частоти;

- за типом системи гальмування – гідравлічна, або

пневматична.

Функції:

- управління швидкістю головного приводу шахтної підземної

підйомної машини шляхом впливу на перетворювач частоти, або

рідинний реостат;

- управління робочим гальмом;

- управління запобіжним гальмом;

- технологічні блокування та захисти

Візуалізація і передача інформації:

- положення судини на шляху переміщення;

- швидкість і напрям руху судини;

- величина напруги мережі;

- величина струму головного приводу;

- величина тиску робочого тіла в гальмовій системі;

- стан комутаційних апаратів, датчиків і контрольних ланцюгів;

- зняття запобіжного гальма;

- спрацьовування захистів;

- спрацьовування блокувань, перешкоджаючих виконанню

основних технологічних функцій.

240

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

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.

241

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

8-14 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.

242

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.

243

Пименов (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

244

44. Справочник по шахтному транспорту / под ред. Г.Я.

Пейсаховича, И.П. Ремизова. -М.: Недра, 1977. - 624 с.

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 двигун 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

взрывозащищенные типа УПП-ХХ-ХХХ

http://www.remo.com.ua/manual.pdf

245

Н А В Ч А Л Ь Н Е В И Д А Н Н Я

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

(українською мовою)

Редакційно-технічне оформлення,

комп’ютерна верстка: К.М. Маренич.

Дизайн обкладинки: Н.В. Червінська

Підп. до друку 20.02.2012 Формат 60х84/16.

Папір PolSpeed. Друк різографія.

Ум. друк. арк. 13,75 Обл.вид. арк. 12,79

Тираж 300 прим. Замовлення № 1079

Видавництво Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний

університет». Україна, 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58. Тел.: (062) 301-08-67.

Свідоцтво про державну реєстрацію суб’єкта видавничої справи:

серія ДК № 2982 від 21.09.2007.

Надруковано:ТОВ «Друк-Інфо», 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, к. 1.113

тел. (062) 335-64-55

Свідоцтво про державну реєстрацію суб’єкта видавничої справи:

серія ДК № 2982 від 21.09.2007.