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

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

МАШИН И УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ

Учебное пособие для студентов высших учебных заведений

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

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

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАШИН И УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ

Рекомендовано Учёным советом Донецкого национального технического университета

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Издание приурочено к 95-летию Донецкого национального технического университета

Донецк ООО «Технопарк ДонГТУ «УНИТЕХ»

2015

2

УДК 622.28 (075.8) ББК 34.7

А 22

Рекомендовано Учёным советом ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет" (г. Донецк) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

протокол 9 от 21.11.2014 г.

Авторы (сведения по состоянию на 2012 г.): Маренич Константин Николаевич, заведующий кафедрой «Горная электротехника

и автоматика им. Р.М. Лейбова» ДонНТУ, кандидат технических наук, доцент; Товстик Юрий Васильевич, заведующий лабораторией отдела электрооборудования

Государственного Макеевского НИИ по безопасности работ в горной промышленности (г. Макеевка), доцент кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» ДонНТУ, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент;

Турупалов Виктор Владимирович, декан факультета компьютерных информацион-ных технологий и автоматики ДонНТУ, профессор кафедры «Автоматика и телекоммуника-ции» ДонНТУ, кандидат технических наук, доцент;

Василец Святослав Владимирович, доцент кафедры «Горная электротехника и авто-матика им. Р.М. Лейбова» ДонНТУ, кандидат технических наук;

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

Рецензенты (сведения по состоянию на 2012 г.): Шкрабец Ф.П. – доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Восстанавливаемые источники энергии» Национального горного университета (г. Днепропетровск);

Жуков С.Ф. – доктор технических наук, профессор, генеральный директор научно-производственного центра

технологий управления «Квантум» (г. Мариуполь); Кузнецов Б.И. – доктор технических наук, профессор,

заведующий отделом проблем управления магнитным полем Научно-технического центра магнетизма технических объектов (г. Харьков) НАН Украины Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников А 22 Учеб. пособ. для студ. высш. учебн. завед. / К.Н. Маренич, Ю.В. Товстик,

В.В. Турупалов, С.В. Василец, И.Я. Лизан. – Донецк: ООО «Технопарк ДонГТУ «УНИТЕХ», 2015. – 252 с.

Данное издание является авторским переводом (проф. К.Н. Маренич) на русский

язык учебного пособия: Автоматизований електропривод машин і установок шахт і рудників / К.М. Маренич, Ю.В. Товстик, В.В. Турупалов, С.В. Василець, І.Я. Лізан. – Донецк: ДонНТУ, 2012. – 245 с., рекомендованного Министерством образования и науки, молодёжи и спорта Украины (письмо 1/11-10338 от 08.11.2011 г.). В учебном пособии рассмотрены основные положения теории электропривода, принципы по-строения и функционирования автоматизированных электроприводов машин и уста-новок горных предприятий.

УДК 622.28 (075.8)

ISBN 978-966-8248-49-8 © К.Н. Маренич, Ю.В. Товстик, В.В. Турупалов,

С.В. Василец, И.Я. Лизан, 2015

3

СОДЕРЖАНИЕ

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

4

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

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современное горное предприятие представляет собой ком-плекс взаимосвязанных разнообразных технологических процессов. Большинство из них характеризуется высокой энергоёмкостью, необ-ходимостью регулирования скоростных параметров исполнительных машин и механизмов, требует обеспечения высокого ресурса соответ-ствующего электромеханического оборудования, эксплуатация кото-рого усложнена специфическими условиями окружающей среды в шахте. Определяющую роль в работе горных машин, другого техно-логического оборудования шахты играют их электроприводы и сред-ства их автоматизации.

Таким образом, автоматизация горно-технологических процес-сов как один из важнейших факторов обеспечения высоких показате-лей угледобычи, касается, прежде всего, проблематики эксплуатации автоматизированных, электроприводов машин и установок шахт и рудников.

Решение задач, связанных с разработкой и эффективной экс-плуатацией средств автоматизации производственных процессов и, в частности, автоматизированных электроприводов горных машин, в значительной степени определяется качеством подготовки специали-стов соответствующего направления и специализации. Таким обра-зом, специалист в вопросах автоматизации горно-технологических процессов должен быть хорошо осведомлён в вопросах устройства и применения автоматизированных электроприводов с учётом специ-фики работы соответствующих технологических установок, типов и параметров применённых электродвигателей, требований относи-тельно обеспечения безаварийной эксплуатации силового электроме-ханического оборудования в условиях шахты, отличающихся повы-шенной влажностью, запылённостью отдельных выработок, пред-ставляющих повышенную опасность пожара или взрыва метано-воздушной смеси.

Учитывая это, в учебном пособии рассмотрение схемных ре-шений и принципов работы типовых электроприводов горно-технологического оборудования основывается на анализе устройства соответствующих горных машин и технологических установок, усло-вий их эксплуатации в шахте. Наряду с известными, широко приме-няемыми в горной промышленности системами электроприводов рас-сматриваются новейшие разработки и перспективные направления

6

совершенствования силовой приводной техники и средств её автома-тизации. Прежде всего, это касается частотно-управляемого асин-хронного электропривода горных машин, силовых тиристорных средств управления пуском и торможением асинхронных двигателей рудничных транспортных средств, перспектив применения вентиль-ных реактивных двигателей и т.п. Учитывая специфику эксплуатации силового электромеханического оборудования в шахте, особое вни-мание уделено вопросам обеспечения безаварийной работы шахтных электроприводов в контексте положений соответствующих норма-тивно-технических документов. Всё это создаёт возможность форми-рования у студентов системы знаний по теории автоматизированного электропривода машин и установок шахт и рудников, особенностям его устройства и применения в условиях шахты.

Подготовка ученого пособия основана на многолетнем опыте преподавания учебных курсов по изучению общего электропривода и электропривода машин и установок шахт и рудников преподавателя-ми кафедр «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» (К.Н. Маренич, Ю.В. Товстик), «Автоматика и телекоммуникации» (В.В. Турупалов) Донецкого национального технического универси-тета и учебно-научного профессионально-педагогического института (И.Я. Лизан) Украинской инженерно-педагогической академии при обучении студентов по направлению подготовки «Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии», их собственном опыте в области исследований, разработок, промышленных испытаний и экс-плуатации новых образцов рудничных электроприводов.

7

РАЗДЕЛ 1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Учебной целью раздела является рассмотрение основных поло-жений теории электропривода, принципиально важных для дальней-шего уяснения особенностей устройства и функционирования типо-вых электроприводов технологических машин и установок шахт и рудников, включая средства управления их режимами работы. Ре-зультатом освоения студентами материала раздела являются зна-ния электромеханических свойств электродвигателей, способов управления их скоростными и тормозными режимами.

1.1 Назначение и структура электропривода. Особенности применения в условиях горного производства

Горное производство представляет собой совокупность разно-

образных, согласованных между собой технологических процессов, выполнение которых обусловлено применением соответствующих электромеханических устройств, других исполнительных средств (рис. 1.1). Задачу приведения в движение рабочих органов технологи-ческих установок и машин, управления их скоростными и тормозны-ми режимами выполняет электропривод, типичная структура которо-го приведена на рис. 1.2 [1]. Таким образом, электропривод выполня-ет преобразование электрической энергии, потребляемой из электро-сети, в механическую энергию, которая передаётся рабочему органу соответствующей технологической установки. В процессе работы возможно и обратное преобразование энергии.

Основными элементами электроприводов являются электриче-ские машины (двигатели), которые различаются в зависимости от ро-да потребляемого тока (переменный, либо постоянный), мощности, конструкции. Наибольшее распространение в горной промышленно-сти получили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (нерегулируемые и частотно-управляемые приводы подачи очистных комбайнов, электроприводы струговых установок, скребковых кон-вейеров, некоторых типов ленточных конвейеров, проходческих ком-байнов и породопогрузочных машин, насосных установок, вентиля-торов местного проветривания, поршневых компрессоров и др.). К преимуществам этих двигателей следует отнести: надёжность, про-

8

стоту устройства и обслуживания, относительно низкую стоимость, отсутствие контактной передачи электроэнергии на подвижные эле-менты, отсутствие искрообразования в процессе работы. Однако, оп-ределённую сложность представляет процесс регулирования угловой скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, в связи с чем требуется, как правило, применение сложных и дорогостоящих преобразовательных устройств.

Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются в элек-

троприводах одноконцевых откаток и в приводах отдельных типов магистральных ленточных конвейеров. В обоих случаях средствами реостатного или каскадного регулирования реализуется функция управляемого, или плавного пуска соответствующей горной транс-портной машины.

Синхронные двигатели отличаются возможностью поддержи-вать постоянную величину угловой скорости при колебаниях нагруз-ки (момента сопротивления) и в горной промышленности применя-ются, преимущественно, в электроприводах вентиляторов главного проветривания; отдельных типов турбокомпрессорных установок; в системах приводов «генератор-двигатель» шахтных подъёмных уста-новок для обеспечения и поддержания постоянной угловой скорости генератора постоянного тока. Кроме этого, известны системы шахт-ного подъёма с применением синхронного двигателя в качестве при-

ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ ШАХТЫ

Подъём Очистные работы

Проходческие работы

Шахтный транспорт

Стационарные установки

Скиповой

Клетье-вой

Одно-концевая откатка

Комбайны

Струговые установки

Комбайны

Породо-погрузоч-ные маши-

ны

Насосные установки

Электровозы

Скребковые конвейеры

Ленточные конвейеры

Вентиляторные установки

Компрессорные установки

Рисунок 1.1 – Области применения устройств электропривода в шахтных технологических установках

9

водного. Регулирование скорости подъёма обеспечивается примене-нием преобразователя частоты в цепи этого двигателя [2].

Среди машин постоян-ного тока в электроприводах шахтных технологических ус-тановок применяются двига-тели независимого возбужде-ния (некоторые типы регули-руемых приводов постоянного тока очистных комбайнов, электроприводы постоянного тока шахтных подъёмных установок), а также машины последовательного возбужде-ния (электроприводы посто-янного тока шахтных акку-муляторных и контактных электровозов). Средства регу-лирования скорости двигате-

лей постоянного тока отличаются простотой и низкой стоимостью. Однако, сама конструкция такого двигателя является достаточно сложной, требует использования большого количества медных ком-понентов, что удорожает машину, предполагает контактную передачу электроэнергии постоянного тока на коллектор. Это существенно снижает ресурс и надёжность машины, усложняет её обслуживание, создаёт искрообразования и опасность возникновения коллекторного огня. Всё это определяет тенденции преимущественного применения в электроприводах оборудования горной промышленности асинхрон-ных двигателей.

В соответствии с типовой структурой электропривода (рис. 1.2), с целью регулирования его электромеханических параметров устрой-ство управления может исполнять функцию воздействия относитель-но преобразователя, самого двигателя, либо устройства передачи. Функции и структура преобразователя определяются параметрами электросети, типом приводного двигателя (рис. 1.3).

Так, с учётом того, что напряжение магистральных кабельных линий составляет 6000 В, а большинство электродвигателей техноло-гических установок рассчитаны на напряжение меньшего номиналь-ного уровня (660 В; 1140 В), функцию преобразователя исполняет

Преобра-зователь

Рабочий орган

Двига-тель

Устройство передачи

ЭЛЕКТИЧЕСКАЯ СЕТЬ

Рисунок 1.2 – Структурная схема управляемого элект-ропривода

Устройство управле-

ния

10

трансформатор участковой подстанции. Кроме этого, в случае реали-зации функции плавного пуска асинхронного двигателя в цепи его статора может быть применён регулятор (тиристорный) напряжения в качестве устройства преобразования величины напряжения промыш-ленной частоты, подаваемого на статор двигателя. Глубокое и про-должительное регулирование величины угловой скорости асинхрон-ного двигателя достигается применением преобразователя частоты в цепи его статора. При использовании двигателя постоянного тока функцию преобразователя исполняет управляемый выпрямитель в цепи якоря данной электрической машины. Рассмотренный способ эффективен для продолжительного поддержания и регулирования скорости якоря в полном диапазоне скоростей.

Функция управления с непосредственным воздействием на дви-гатель отличается применением средств реостатного, или каскадного регулирования параметров асинхронных двигателей с фазным рото-ром (прежде всего, - регулирование угловой скорости ротора); рео-

Асинхронный электропривод с устройством плавного пуска

Нерегулируемый асинхронный электропривод

Регулируемый асинхронный электропривод

Регулируемый электропривод постоянного тока

Трансформатор

Электросеть

Рисунок 1.3 – Варианты применения преобразователей в электроприводах

+_

Регулятор напряже-ния

Преобра-зователь частоты

Управляе-мый выпря-митель

11

статного регулирования угловой скорости якоря двигателя постоян-ного тока.

К устройствам передачи относятся редукторы и муфты. Функ-ция управления может быть применена к редуктору при условии, что этот редуктор является многоскоростным. Однако, в рудничных тех-нологических установках такие редукторы, как правило, не применя-ются. В отношении передаточных устройств функция управления предусматривает наличие управляемых муфт. К ним следует отнести электромагнитные муфты скольжения, регулирование угловой скоро-сти выходного вала которых выполняется изменением величины по-стоянного тока обмотки индуктора (в качестве преобразователя при-меняется управляемый выпрямитель). Объектом применения этих муфт на горных предприятиях является привод вынесенной подачи очистного комбайна. Кроме этого, имеется положительный опыт экс-плуатации электромагнитных муфт скольжения в электроприводах скребковых конвейеров. К регулируемым относятся также гидромуф-ты с изменением объёма заполнения эмульсией. Но они имеют низ-кую эффективность и в электроприводах горных технологических ус-тановок не применяются.

1.2 Основное уравнение и характеристики электропривода

Основными параметрами электропривода, которые существенно

влияют на механические свойства технологических машин и устано-вок, являются электромагнитный момент двигателя (М), его угловая скорость (ω) и момент инерции (J1). Рабочий орган так же характе-ризуется соответствующим моментом инерции (J2) и создаёт момент сопротивления (Мс) как противодействие двигательному электромаг-нитному моменту двигателя (рис. 1.4). Момент инерции J1 представ-ляет собой произведение массы (m) вращающегося тела на квадрат радиуса инерции (ρ):

J=mρ2 (1.1)

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

12

Основной характеристикой приводного двигателя является его механическая характеристика, которая устанавливает функ-циональную зависимость уг-ловой скорости двигателя от электромагнитного момента на его валу. Кроме этого, практический интерес пред-ставляет электромеханическая характеристика – зависимость между угловой скоростью двигателя и потребляемым то-ком.

Соотношения между электромагнитным моментом

двигателя и моментом сопротивления, приложенным со стороны ра-бочего органа может быть различным по величине, однако двига-тельный момент двигателя (М) в процессе работы привода всегда уравновешивается моментом сопротивления (Мс) в совокупности с инерционно-динамическим моментом (Jdω/dt), возникающим при из-менении скорости привода. Это положение раскрывает сущность ос-новного уравнения электропривода:

Мд = М - Мс =Jdω/dt, (1.2) где Мд – динамический момент электропривода.

Из выражения (1.2) можно сделать следующие выводы, учиты-вая, что момент инерции J привода является величиной, как правило, постоянной и не может принимать отрицательных значений:

М > Мс – условие ускоренного движения привода; М < Мс – условие замедления, снижения скорости движения

привода; М = Мс – условие устойчивого режима работы привода (работа с

постоянной скоростью). Сам двигатель может испытывать различные воздействующие

факторы со стороны средств управления и, в соответствии с этим, создавать электромагнитный момент (М), совпадающий, либо не сов-падающий с направлением угловой скорости (ω) своего вала. Соот-ветственно этому, различают двигательные и тормозные режимы ра-

М

Мс

ω

J2

J1

Рисунок 1.4 –Иллюстрация взаимо-действия параметров электропривода

13

боты электродвигателей (рис, 1.5). В координатах механических ха-рактеристик двигателя выделяют четыре квадранта, два из которых (І и ІІІ) относятся к двигательным режимам работы и отличаются меж-ду собой только направлением вращения вала двигателя. Другие два квадранта (ІІ и ІV) являются областями тормозных режимов двигате-ля. Состоянием, предшествующим торможению, является двигатель-ный режим: в квадрант ІІ двигатель переходит из квадранта І, а в квадрант ІV – из квадранта ІІІ.

Двигатель, рабо-тающий в двигательном режиме, так же может изменять угловую ско-рость как в сторону уве-личения, так и в сторону уменьшения под воздей-ствием управляющих или возмущающих воз-действий. Соответствен-но этому различают ус-тойчивые или неустой-чивые механические ха-рактеристики двигателей (рис. 1.6). Механическая характеристика двигате-ля считается устойчивой,

если двигатель, работая в устойчивом состоянии на этой характери-стике имеет возможность изменять под воздействием влияющих фак-торов свою угловую скорость, возвращаясь в состояние устойчивого режима работы, В случае работы на неустойчивой механической ха-рактеристике двигатель под воздействием управляющих или возму-щающих воздействий тоже выходит из устойчивого состояния, одна-ко в процессе изменения скорости дальнейшего возвращения двига-теля в устойчивое состояние не происходит. Эти положения поясня-ются диаграммами (рис. 1.6). Так, условием устойчивого состояния двигателя является работа его в точке «А», где М = Мс (соответствен-но характеристике «1» на рис. 1.6, а); М = Мс1 (соответственно рис. 1.6, б). Допустим, что в результате управляющего воздействия про-изошло изменение механической характеристики двигателя (рис. 1.6, а), и он перешёл в точку «В» характеристики «2». В этой точке он

МТорможение

Торможение

ω

Движение

Движение

ω М

ω М

II I

III IV

0

ω М

ω

Рисунок 1.5 – Области расположения меха-нических характеристик двигателя в режи-мах движения и торможения

ω

М

14

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

В случае работы двигателя на неустойчивой механической ха-

рактеристике (рис. 1.6, б) в точке «А» устойчивого состояния воз-можны следующие изменения:

- момент сопротивления Мс1 уменьшился до Мс2. В этом случае двигатель развивает в точке «А» момент М, превышающий величину Мс2 и, с учётом положений основного закона электропривода, это приведёт к дальнейшему повышению угловой скорости вала двигате-ля с увеличением ускорения;

- момент сопротивления Мс1 увеличился до Мс3. В этом случае двигатель развивает в точке «А» момент М, меньший величины Мс3 и, с учётом положений основного закона электропривода, это приведёт к дальнейшему снижению угловой скорости вала двигателя с увели-чением замедления.

1.3 Переходные процессы в электроприводах.

Методы расчёта переходных процессов

Условием нахождения электропривода в устойчивом состоянии является равенство между электромагнитным моментом (М) привод-ного двигателя и моментом сопротивления (Мс), приложенным к его

б

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

A

A B

C M

M M Mс Mс2 Mс1 Mс3

0 0

ω ω

а

1

2

15

валу со стороны рабочего органа. В процессе работы привода это ра-венство может быть нарушено:

- в случае изменения управляющего воздействия непосредст-венно относительно двигателя (что сопровождается изменением его механической характеристики);

- в случае изменения возмущающего воздействия относитель-но вала приводного двигателя (изменения величины момента сопро-тивления).

В обоих случаях привод выходит из устойчивого состояния и, при условии нахождения двигателя на устойчивой механической ха-рактеристике, впоследствии возвращается в устойчивое состояние, переходя на новый уровень скорости. Этот процесс продолжается не-которое время, в течение которого скорость двигателя изменяется от одного устойчивого уровня к другому, увеличиваясь (при M>Мс), или уменьшаясь (при M<Мс). Такой процесс перехода объекта или систе-мы от одного устойчивого состояния к другому устойчивому состоя-нию называется переходным процессом.

Применительно к электроприводу различают три типа переход-ных процессов:

- механические, связанные с изменением кинетической и по-тенциальной энергии системы, скоростных параметров привода и его элементов, электромагнитного момента двигателя и т.п.;

- электромагнитные, обусловленные изменением величины электромагнитной энергии в электрической машине, пропорциональ-но индуктивности и квадрату тока её силовой цепи;

- тепловые, обусловленные потерями энергии в активных со-противлениях обмоток, в стали магнитопроводов, механическими по-терями в подшипниках и т.п.

В сравнении с механическими, электромагнитные переходные процессы являются менее продолжительными, однако они являются тем влияющим фактором, который определяет характер изменения параметров и продолжительность механических переходных процес-сов. Это влияние на поведение электропривода определяется, прежде всего, типом и особенностями конструкции самой электрической ма-шины. Так для машины постоянного тока величина индуктивности её обмоток влияет на скорость изменения тока в этих обмотках, что из-меняет (на интервале пуска двигателя) зависимость его электромаг-нитного момента от угловой скорости в сравнении со статической механической характеристикой. В машине переменного тока индук-

16

тивность обмоток обусловливает появление свободных составляю-щих переменного тока при контакторной коммутации, что, в свою очередь, вызывает колебательную составляющую электромагнитного момента на интервале разгона асинхронного двигателя.

Основным параметром, определяющим продолжительность пе-реходного процесса, является постоянная времени – отношение вели-чин индуктивности (L) обмотки двигателя к её активному сопротив-лению (R), т.е., Tэм=L/R.

Тепловые переходные процессы являются наиболее продолжи-тельными и определяют величину изменения температуры объекта. Тепловое состояние любого физического тела изменяется по экспо-ненте как при нагревании, так и при охлаждении. Параметры экспо-ненты изменения теплового состояния объекта, в частности, двигате-ля, характеризуются тепловой постоянной времени ТТ, которая, в свою очередь, определятся отношением теплоёмкости (С) этого дви-гателя к теплоотдаче (А), т.е., ТТ =С/А. Важным показателем теплово-го переходного процесса является также превышение (τ) температуры объекта над температурой окружающей среды (перегрев объекта) и, в частности, устойчивое превышение температуры двигателя:

τст = ΔР/А, (1.3) где ΔР – мощность потерь при работе двигателя с постоянной нагруз-кой, которая представляет собой разность между величиной мощно-сти (Р1), потребляемой двигателем, и мощностью (Р) на его валу:

ΔР = Р1 – Р. (1.4)

При ΔР=const величина превышения температуры двигателя оп-ределяется из уравнения теплового переходного процесса:

ее Ttt

почTtt

ст

−− +−= τττ )1( (1.5) где τпоч - величина начального превышения температуры двигателя.

Эксплуатационные свойства электропривода непосредственно определяются параметрами механических переходных процессов, анализ которых основывается на основном уравнении электроприво-да:

17

MMM ДсdtdJ == −ω

, (1,6)

где МД – динамический момент электропривода.

Задача определения параметров переходного процесса электро-механической системы состоит в определении продолжительности существования переходного процесса, закономерности изменения скорости, момента и т.п. параметров привода на интервале существо-вания переходного процесса. Одним из эффективных способов реше-ния этой задачи является графоаналитический метод расчёта. Он так же основывается на основном уравнении привода и состоит в сле-дующем.

Исходными данными для расчёта переходного процесса могут быть: механическая характеристика двигателя с учётом управляюще-го влияния (при наличии последнего); величина (характеристика из-менения) момента сопротивления Мс; величина момента инерции привода (J).

Расчёт переходного процесса работы электропривода графоана-литическим методом следует начинать с построения механической характеристики ω = f(M) приводного электродвигателя и характери-стики момента сопротивления Мс во ІІ квадранте (рис. 1.7). Графиче-ским вычитанием величины Мс от М, строится динамическая механи-ческая характеристика привода ω = f(MД). Дальнейшее применение графоаналитического метода состоит в переходе от первой производ-ной скорости по времени к отношениям элементарных приращений скорости к элементарным приращениям времени, т.е., Δωi/Δti. Этот переход может быть осуществлён при условии, что MД=const. Орди-нату изменения динамического момента привода MД следует разде-лить на n элементарных участков Δωi и на каждом участке опреде-лить среднее значение динамического момента привода MДср і, при-нимая его величиной постоянной (MДср і=const).

Следующим шагом является расчёт элементарного приращения времени Δti., которое соответствует элементарному приращению ско-рости Δωi, пользуясь формулой, полученной из основного уравнения электропривода при условии постоянства динамического момента привода на і-м участке изменения скорости:

Δti = J Δωi/MДср і (1.7)

18

В дальнейшем, в координатах ω=f(t) должна быть построена ха-

рактеристика механического переходного процесса работы электро-привода отображением координат Δti и соответствующих им коорди-нат Δωi.

Кроме этого, может быть построена зависимость МД=f(t). Для Этого ось ординат характеристики переходного процесса должна быть размечена в масштабе момента. В конечных точках участков Δti (расположенных по абсциссе) следует построить в масштабе момен-тов точки мгновенных значений динамического момента привода, ко-торые соответствуют конечным точкам соответствующих элементар-ных приращений Δωi. В точке «Е» (рис. 1.7) величина динамического момента привода МД равняется нулю, что является признаком завер-шения переходного процесса разгона электропривода.

Из анализа переходного процесса пуска асинхронного двигателя в составе электропривода, пример расчёта которого приведен на рис. 1.7, можно сделать следующие выводы:

- увеличение момента сопротивления, приложенного к валу дви-гателя, приведёт к уменьшению величины динамического момента привода, что, в свою очередь, обусловит увеличение продолжитель-ностей элементарных приращений времени Δti и продолжительности разгона привода в целом;

Δω1

Δω3

Δω4

Δω2

Мс 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 – Пример определения параметров переходного процесса пуска асинхронного электропривода графоаналитическим способом

Мд ;

Мд

ω

A

A B B

C C

D

D E

E

19

- этот же результат может быть получен в случае электропита-ния асинхронного двигателя напряжением меньшей величины, когда существенно (в квадратической зависимости к величине напряжения сети) уменьшается величина момента двигателя М=f(U2) и, соответ-ственно, величина динамического момента привода (МД=М–Моп).

1.4 Приведение статических моментов и усилий в электроприводе

Наиболее распространённым является электропривод, в котором

электромагнитный момент передаётся на вал рабочего органа маши-ны не непосредственно, а через редуктор (с целью согласования ве-личины угловой скорости выходного вала привода с требуемой ско-ростью вращения вала рабочего органа). Особенностью такого элек-тропривода является наличие некоторого количества его подвижных элементов, вращающихся с разными угловыми скоростями. В состав электропривода могут входить и подвижные элементы, перемещае-мые линейно. Параметры всей этой сложной системы необходимо привести к валу электродвигателя (или валу рабочего органа маши-ны) с учётом энергетического баланса системы.

Задачей приведения моментов и усилий сопротивления в элек-троприводе является определение фактического момента сопротивле-ния, приложенного к валу двигателя (Мсд) в сложной кинематической системе при условии, если известна величина момента сопротивления на валу рабочего органа производственного механизма (Мсм) этого привода (рис. 1.8). В упрощенной форме (для инженерных расчётов) эта задача решается при условии пренебрежения зазорами и упруго-стью отдельных элементов трансмиссии привода.

На основе равенства мощностей на валу рабочего органа и на валу двигателя получим соотношение [1;3]:

- применительно к вращательному движению (шестерня с мо-ментом инерции J3 передаёт движение на рабочий орган 1):

ωηω дСД

П

МСМ ММ =1

1 , (1.8)

откуда

ηηωω

П

СМ

ПД

МСМСД і

МММ ==11 , (1.9)

20

- применительно к вращательно-поступательному движению (шестерня с моментом инерции J3 передаёт движение на рабочий ор-ган 2):

ωη ДСД

П

МСМ МVF =1 (1.10)

откуда

ηω ПД

МСМСД

VFМ 1= , (1.11)

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

В кинематической схеме привода при наличии элементов вра-щательного и поступательного движения, вращающихся элементов, находящихся на разных осях редуктора (имеют различные угловые скорости) следует определить приведенный момент инерции систе-мы. Этим приведенным моментом инерции кинематической системы является момент инерции простейшей системы, состоящей из элемен-тов, вращающихся со скоростью оси, к которой производят приведе-ние и которая имеет такой запас кинетической энергии, который ра-

Jд; ωд

Двигатель

Редуктор

ω1

J2 J3

Jм1; ωм1

Рабочий орган 1 J5Мсм

Мсд

Jм2;

J4

Рабочий орган 2

Fс.м

Vм

m

ω м2

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

21

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

22222222

22

22

2

24

2

13

2

12

2

1

22 VmJJJJJJJ MMM

Mдвдвдв

двпр

++++++= ωωωωωωω , (1.12)

Отсюда, момент инерции всего привода, приведенный к валу

двигателя (Jпр), определяется в результате умножения всех элементов уравнения (1.12) на число (2/ ω2

дв).

1.5 Электромеханические свойства двигателей постоянного тока

Среди разнообразия машин постоянного тока в составе электро-приводов технологических установок шахт применение нашли двига-тели постоянного тока независимого и последовательного возбужде-ния. Схемы подключения их к источникам питания приведены на рис. 1.9.

Устойчивый режим работы двигателя постоянного тока харак-

теризуется тем, что его напряжение питания U (приложенное к двига-

М

КМ Іяк

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

+ _

а + _

КМ

Rдоп ОВ

Е Іяк

+ _

б

Rдоп

Е ОВ

М

U U

22

телю) уравновешивается падением напряжения на совокупности со-противлений силовой цепи IЯКΣR и ЭДС якоря E:

U =IЯКΣR+ E; (1.13)

Е = сФω, (1.14)

где с - конструктивный коэффициент двигателя; ω – угловая скорость якоря двигателя; Ф – магнитный поток, величина которого обуслов-лена током Іов в обмотке возбуждения (ОВ) двигателя (рис. 1.10).

Аналитические выражения (1.13) и (1.14) обусловливают струк-туру формулы электромеханической характеристики двигателя по-стоянного тока:

сФR

сФU І якΣ−=ω , (1.15)

где первая составляющая правой части уравнения представляет собой выражение скорости холостого хода якоря двигателя, а вторая со-ставляющая – потери скорости якоря двигателя, работающего под на-грузкой:

сФU

=ω0 (1.16)

сФRІ якΣ=Δω (1.17)

С учётом функциональной зависи-

мости между электромагнитным момен-том двигателя и током якоря (М=сФIЯК) и формулы (1.14) может быть определено аналитическое выражение для механиче-ской характеристики двигателя постоян-ного тока:

ФcФсRMU

22

Σ−=ω (1.18)

0 І ІІ ІІІ Іов

Ф

Рисунок 1.10 –Зависимость магнитного потока маши-ны постоянного тока от тока намагничивания

23

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

Жёсткость механической характеристики – это отношение

диапазона изменения электромагнитного момента, который разви-вает электродвигатель, к соответствующему диапазону изменения угловой скорости.

Такой способ, как правило, применяют в установках электро-привода машин с неустойчивым моментом сопротивления, в которых необходимо поддерживать устойчивый скоростной режим.

Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения (сериесные двигатели) отличаются тем. Что их обмотка возбуждения подключается непосредственно в силовую цепь якоря двигателя. Та-ким образом, ток возбуждения двигателя является током его якоря и может изменяться в широком диапазоне. Соответственно этому, мо-жет изменяться магнитный поток двигателя, и в формулах (1.15) –(1.18) следует учитывать его в функциональной зависимости от тока

М; Іяк М; Іяк М1; Іяк1

Δω1

ω ω

0 0

U1

U1

U2<U1 U2<U1

U1; Rдоп > 0 U1; Rдоп > 0

а б

Рисунок 1.11 – Механические (электромеханические) характеристики двига-теля постоянного тока независимого (а) и последовательного (б) возбужде-ния

24

якоря, т.е., Ф(Іяк). Этому соответствует семейство механических и электромеханических характеристик (рис. 1.11, б). Особенностью эксплуатации двигателя последовательного возбуждения является то, что с приближением его момента сопротивления (и тока якоря) к ну-левому значению, угловая скорость якоря имеет тенденцию роста до бесконечности. Для такого двигателя невозможно создать режим хо-лостого ходя, его нельзя ввести в режим генераторного торможения (в отличие от двигателя независимого возбуждения).

1.6 Электромеханические свойства асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели являются наиболее распространёнными электрическими машинами благодаря приемлемым эксплуатацион-ным свойствам, простой, более компактной и надёжной конструкции, отсутствию контактирующих подвижных узлов (за исключением ма-шин с фазным ротором), существенно меньшей стоимости в сравне-нии с машинами постоянного тока. Различают асинхронные двигате-ли с короткозамкнутым и фазным ротором. Последние позволяют осуществлять управление скоростным режимом электропривода пу-тём непосредственного воздействия на двигатель методом подключе-ния дополнительных роторных сопротивлений или внешней ЭДС – в обмотку ротора машины.

Асинхронный двига-тель может быть пред-ставлен Г-образной схе-мой замещения (рис. 1.12), где обозначены: R1; X1 – активное и индуктивное сопротивления статора; R’2 X’2 - приведенные к статору активное и индук-тивное сопротивления ро-тора; R0; X0 – активное и индуктивное сопротивле-

ния цепи намагничивания; s– скольжение ротора относительно угло-вой скорости поля статора

s = (ω0 – ω)/ω0 , (1.19)

где ω – фактическая угловая скорость вращения ротора двигателя.

X1 R1 X’2

R1 / s X0

R0

І1

І’2

UФ

Рисунок 1.12 – Схема замещения асинхронного двигателя

25

Угловая скорость холостого хода асинхронного двигателя опре-деляется частотой f напряжения питающей сети и количеством пар p полюсов двигателя:

ω0 = 2πf/p (1.20) электрический ток, потребляемый двигателем, может быть представ-лен суммой тока намагничивания І0 и приведенного тока цепи ротора І’2:

)) 2'21

2'2

1

'2

(( XXRR

UIs

ф

+++

= (1.21)

Учитывая это, а также с учётом выражения (1.19), имеем графи-

ческую интерпретацию зависимости величины тока, І1 потребляемого электродвигателем от величины угловой скорости ω ротора, т.е., электромеханическую характеристику асинхронного двигателя (рис. 1.13, а). Эта характеристика показывает, что одним из характерных признаков, свойственных асинхронному двигателю, является сущест-венное превышение пусковым током Іп величины номинального тока Ін этой электрической машины. Как правило, эта кратность пускового тока находится у пределах 6 < (Іп/Ін) < 7. Только в отдельных типах асинхронных двигателей благодаря применению специальных форм сечения обмотки ротора эта кратность токов несколько уменьшается. Однако, принципиальным является то, что стопорение (отсутствие вращения) ротора асинхронного двигателя при наличии напряжения питания на его статоре приведёт к протеканию пускового тока по об-моткам. При продолжительности существования такого тока более, чем 5-6 с (для большинства типов асинхронных двигателей) это мо-жет привести к перегреву изоляции обмоток и повреждению самого двигателя. В системах электроприводов горных машин применяется тепловая защита двигателей на основе использования тепловых дат-чиков (терморезисторных, а так же датчиков „тепловое реле” ДТР-3М). Кроме этого, в схемах пускателей асинхронных двигателей пре-дусмотрен блок косвенной тепловой защиты двигателя от перегрузки (ТЗП), в котором моделируется тепловой режим двигателя на основе измерения потребляемого тока [4;5].

26

Условием определения механической характеристики асин-

хронного двигателя является анализ составляющих его электромаг-нитной мощности:

Рем = m Uф I’2 cos φ = М ω0, (1.22) где m - число фаз статора двигателя.

))cos

2'21

2'2

1

'2

(( XXRR

R

s

s

+++

=ϕ (1.23)

))()(( 2'21

2'2

10

'2

2

XXRR

RUМs

s

m фэм

+++

=

ω , (1.24)

С учётом фактических величин скольжения s ротора, получим

механическую характеристику асинхронного двигателя (рис. 1.13, б), которая имеет следующие характерные параметры: Мп – момент пус-ковой; Мн – момент номинальный; Мк – момент критический (макси-мальный), которому соответствует критическое скольжение sк:

)2'21

2110

((2

2

XXRRmUМ ф

к++±

=

ω (1.25)

0

ω н

Мн Мп Мк М

ω 0

ωsк

0 Ін Іп І1 а б Рисунок 1.13 - Электромеханическая (а) и механическая (б) характеристики асинхронного двигателя

ω ω0

ω н

27

)2'21

21

'2

( XXRRsК

++±= (1.26)

В случае пренебрежения активными сопротивлениями обмоток

асинхронного двигателя, его механическая характеристика может быть представлена упрощённой формулой:

М = 2Мк/((s /sк )+(sк /s)) (1.27)

Из анализа механической характеристики асинхронного двига-теля (выражение 1.24 и рис. 1.13, б) можно сделать следующие выво-ды:

- критический момент Мк асинхронного двигателя пропорциона-лен квадрату величины напряжения питания U;

- величина синхронной угловой скорости ротора асинхронного двигателя ω0 пропорциональна частоте f питающего напряжения и обратно пропорциональна числу пар p полюсов двигателя;

- критическое скольжение sк асинхронного двигателя – пропор-ционально величине активного сопротивления цепи его ротора;

- критический момент Мк асинхронного двигателя не зависит от величины активного сопротивления цепи его ротора.

Эти положения являются основными, обусловливают способы регулирования угловой скорости асинхронного двигателя:

- изменением частоты питающего напряжения (рис. 1.14); - изменением числа пар полюсов двигателя (рис. 1.15); - изменением сопротивления дополнительного роторного рези-

стора (рис.1.16). В процессе частотного управления скоростным режимом асин-

хронного двигателя важным является поддержание стабильной вели-чины критического момента машины. Пренебрегая величинами ак-тивных сопротивлений обмоток двигателя (которые имеют крайне малые значения), этот критический момент может бать представлен аналитическим выражением:

Мк = mUф2/(2ω0 (x1 + x’2)) (1.28)

Учитывая то, что индуктивные сопротивления обмоток двигате-ля определяются соответствующими индуктивностями L, а именно:

28

Х1=2πfL1; Х’2=2πfL’2, и с учётом выражения (1.20), преобразуем фор-мулу (1.28):

Мк=mрUф2/(8π2f 2(L1+L’2)) (1.29)

В этом случае величинами, которые подлежат регулированию

при применении управляющего воздействия относительно асинхрон-ного двигателя являются только величина напряжения питания и его частота. Число фаз m, количество пар полюсов р и индуктивности обмоток L1 и L’2 двигателя являются величинами неизменными и оп-ределяются особенностями конструкции последнего. Таким образом, условием обеспечения постоянной величины критического момента асинхронного двигателя при частотном регулировании является под-держание постоянного соотношения величины напряжения питания двигателя к его частоте (правило М.П. Костенко):

Uф/f=const (1.30)

Уменьшение частоты при неизменной величине питающего на-пряжения приведёт к существенному увеличению момента двигателя (более, чем значение критического момента Мкн естественной харак-теристики), что представляет опасность механического повреждения элементов трансмиссии и может сопровождаться повышением по-требляемого тока в связи с уменьшением индуктивных сопротивле-ний обмоток двигателя. В случае увеличения частоты напряжения питания асинхронного двигателя до величины, превышающей часто-ту сети, для обеспечения номинального критического момента (соот-ветствующего работе двигателя при номинальном напряжении про-мышленной частоты) необходимым является повышение величины этого напряжения. В условиях промышленного предприятия это по-требует применения специальной трансформаторной подстанции, рассчитанной на формирование выходного напряжения повышенной величины и, соответственно, рассчитанной на это напряжение сило-вой коммутационной аппаратуры (автоматические выключатели, магнитные пускатели). Эти факторы являются объективными обстоя-тельствами, которые усложняют, а в большинстве случаев, - делают невозможным управление скоростными режимами горно-технологического оборудования при питании приводных асинхрон-

29

ных двигателей напряжением частоты, превышающей промышлен-ную частоту сети.

Как правило, преобразование частоты в промышленных элек-

троприводах производят в диапазоне от нуля до номинальной часто-ты сети. В этом диапазоне может быть установлен любой уровень частоты выходного напряжения преобразователя. Соответственно, этим можно поддерживать любой уровень угловой скорости двигате-ля в диапазоне скоростей от нуля до номинальной.

В отличие от этого, из-менением числа пар полюсов может быть достигнуто сту-пенчатое регулирование уг-ловой скорости асинхронно-го двигателя соответственно задействованному числу пар полюсов обмотки статора. В горной промышленности та-кой способ реализуется при-менением двухскоростных асинхронных двигателей с двумя разными статорными обмотками и с числом полю-

сов, соответственно, 2р=4 і 2р=12.

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

0

ω

М

ω f1

а б

f2 < f1

f3 < f2 f2 < f1

f3 < f2

f1

0 М М к н М к н

ω01 ω02 ω03

ω01 ω02 ω03

0

ω

М

2р= 4

2р=12

М к н

ω01

ω02

Рисунок 1.15 – Механические характерис-тики асинхронного двигателя при управ-лении скоростными режимами изменени-ем числа пар полюсов статора

30

Способ реостатного регулирования угловой скорости асинхрон-ного двигателя касается только машин с фазным ротором и реализу-ется подключением группы внешних резисторов в цепь трёхфазной роторной обмотки двигателя (рис. 1.16, а). Чаще всего этот способ применяется для управления разгоном (плавный пуск) двигателя пу-тём поэтапного закорачивания отдельных секций дополнительных роторных резисторов. Наличие этих резисторов приводит к увеличе-нию наклона механической характеристики двигателя, в результате, возрастает его пусковой момент. Так, искусственная механическая характеристика 3 (рис. 1.16, б) соответствует подключению в цепь ротора всех секций дополнительных роторных резисторов (Rдоп1+ +Rдоп2+Rдоп3).

Процесс управляемого разгона асинхронного двигателя при рео-статном управлении иллюстрируется диаграммами его механических характеристик (рис. 1.16, б).

Начальный момент М1 выбирают из условия, что его величина не должна превышать величину критического момента двигателя, т.е., М1=0,8-0,9 МК. Момент переключения роторных резисторов дол-жен превышать величину номинального момента двигателя: М2=1,1-1,2 МН. Таким образом, пуск двигателя начинается по характеристи-ке 3. При достижении этой характеристикой точки с моментом пере-ключения М2 (точка «е», рис. 1.16, б) срабатывает контактор КМ1 и закорачивает группу дополнительных резисторов Rдоп1. В дальнейшем двигатель переходит на искусственную характеристику 2, которая создана за счёт наличия группы дополнительных роторных резисто-ров Rдоп2+Rдоп3. Далее, в точке пересечения характеристики 2 с мо-ментом М2 срабатывает контактор КМ2 и закорачивает группу до-полнительных резисторов Rдоп2, переводя двигатель на искусствен-ную характеристику 1. Процесс дальнейшего перехода двигателя на естественную механическую характеристику (ЕМХ) происходит ана-логично, когда момент асинхронного двигателя, который разгоняется по характеристике 1, достигает величины момента переключения М2.

Количество секций (m) дополнительных роторных сопротивле-ний рассчитывается по формуле:

МММsM П

m

Н

Н 2)1( 11 =+= , (1.31)

31

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

Представленная совокупность механических характеристик

асинхронного двигателя при разгоне средствами реостатного управ-ления позволяет применить графический способ расчёта величин до-полнительных сопротивлений:

- рассчитывается номинальное сопротивление цепи:

32

2

IUR

H

HН = , (1.31)

где U2Н ; І2Н – номинальные данные ротора;

- рассчитывается масштаб mR роторного сопротивления:

mR = RH/ Δl a-f , (1.32)

ЕМХ

а

КМ1

3-фазная сеть

КМ3

М

КМ4

КМ2

Rдоп1

Rдоп2

Rдоп3

0

ω 0

ω

МН М2 М1 МК

М

1 2 3

а b

e

f

б

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

МП

c

d

32

где Δla-f – длина отрезка (а-f) на диаграмме механиче-ских характеристик (рис. 1.16, б);

- рассчитываются величины дополнительных роторных сопротивлений путём умножения величи-ны mR на длины соответст-вующих отрезков между искусственными характе-ристиками двигателя на линии номинального мо-мента:

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

Реостатное регулирование скоростного режима асинхронного

двигателя реализуется наиболее дешёвым оборудованием, однако от-личается низкой экономичностью, поскольку энергия скольжения ро-тора в процессе регулирования в значительной степени преобразуется в тепловую энергию нагрева дополнительных роторных резисторов.

Косвенным способом влияния на электромеханические свойства асинхронного двигателя следует считать регулирование величины его напряжения при постоянстве частоты (промышленная частота напря-жения сети). Этому способу соответствует семейство механических характеристик (рис. 1.17). Они имеют одну синхронную скорость, но отличаются величиной критического момента, находящейся в квадра-тичной зависимости от величины питающего напряжения (1.24; 1.25). Устойчивая работа двигателя приходится на достаточно небольшой интервал угловых скоростей – от скорости холостого хода до скоро-сти, соответствующей критическому моменту. Однако, с уменьшени-ем угловой скорости (увеличением скольжения ротора) существенно увеличивается ток (1.21) силовых цепей двигателя (рис. 1.12), поэто-му продолжительное электропитание асинхронного двигателя напря-жением уменьшенной величины является неприемлемым в связи с опасностью его перегрева.

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

ω U1 < UH UH

0

М

М к н

ω0

U2 < U1

33

Способ электропитания двигателя уменьшенным по величине напряжением применяют для повышения плавности пуска электро-привода путем подачи на двигатель напряжения, увеличивающегося по величине от начального уменьшенного уровня до номинального по заранее заданному закону (разомкнутая система управления), либо путём регулирования напряжения питания двигателя в функции рас-согласования заданной и фактической скоростей привода (замкнутая по параметру скорости привода система автоматического управле-ния).

Существенным недостатком асинхронного двигателя с коротко-замкнутым ротором является его чрезмерно низкий пусковой момент, что препятствует использованию этой электрической машины в элек-троприводах со значительным моментом сопротивления. В то же время, электроприводы большинства горных машин, в частности, очистных комбайнов, отличаются наличием высоких моментов со-противления, особенно при пуске. Это техническое противоречие решается изменением формы сечения стержня роторной обмотки двигателя с учётом эффекта вытеснения роторного тока [6]. Этот эффект поясняется следующим. Индуктивное сопротивление ротор-ных обмоток определяется величиной потоков рассеивания Фσ2, сцеп-ленных с их проводниками. Допустим, что конструкция роторной обмотки двигателя предусматривает наличие двойных стержней (рис. 1.18, а), из которых внешние 1 имеют меньшее сечение, а внутренние 2 – большее. Поскольку внешние стержни роторной обмотки распо-ложены ближе к поверхности ротора, то сцепленные с ними потоки рассеивания не будут большими, потому обмотка 1, выполненная из внешних стержней имеет малое индуктивное сопротивление Х2П. В отличие от этого, обмотка, созданная стержнями 2 является удалён-ной от поверхности ротора и имеет большее реактивное сопротивле-ние Х2Р.

При протекании тока по обмоткам ротора, его составляющие распределяются в обмотках 1 и 2 следующим образом:

ХRХR

ІІ

ПП

РР

Р

П

22

22

22

22

2

2

+

+= (1.33)

34

В начале пуска частота тока ротора является максимальной

(равняется частоте сети) и в процессе разгона двигателя уменьшается. Поэтому индуктивные сопротивления обмоток намного превышают их активные сопротивления. Распределение токов во внешней и внутренней обмотках определяется индуктивными сопротивлениями Поскольку Х2П <Х2Р, пусковой ток будет преимущественно протекать по внешней обмотке ротора, которая является пусковой. Поскольку эта обмотка имеет меньшее сечение и, соответственно, большее ак-тивное сопротивление R2П, она создаёт повышенный пусковой мо-мент двигателя.

В процессе увеличения скорости ротора частота роторного тока значительно уменьшается, и распределение токов во внешней и внут-ренней обмотках ротора будет определяться активными сопротивле-ниями этих обмоток. Сечение внешней (пусковой) обмотки 1 являет-ся меньшим, чем сечение внутренней обмотки 2, что обусловливает соответствующее соотношение их активных сопротивлений R2П>R2Р. Этим обусловлено вытеснение роторного тока во внутреннюю обмот-ку 2, которая выполняет функцию рабочей обмотки ротора.

Применение принципа вытеснения роторного тока предусмат-ривает использование специальных форм сечений стержней роторной

1 Фσ2

2

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

М

ω

0 М к н

ω0

а б

35

обмотки и позволяет получать повышение пускового момента асин-хронного двигателя и несколько уменьшать величину его пускового тока (рис. 1.18, б).

1.7 Каскадные схемы регулирования скоростных режимов

работы асинхронных двигателей

Одними из эффективных средств управления скоростным режи-мом работы асинхронного двигателя является применение каскадной схемы регулирования. Этот способ может быть применён исключи-тельно для управления асинхронным двигателем с фазным ротором и, как правило, реализуется схемой асинхронного машиновентильного (АМВК), а также, асинхронного вентильного (АВК) каскада (рис. 1.19).

М1

М2

М3

сеть TV1

L1

АИ1 В1

КМ1

+ ОВ --

+ --

І

ІІ

АМВК АВК

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

K1

36

В схеме АМВК (переключатель К1 в положении «І») энергия скольжения ротора двигателя М1 передаётся через цепь выпрямителя трёхфазной ЭДС ротора (мостовой выпрямитель В) на цепь якоря двигателя постоянного тока М2. Таким образом, имеет место первый каскад преобразования электрической энергии скольжения ротора двигателя М1 в механическую энергию на валу двигателя М2. В дальнейшем, при наличии синхронного генератора М3, кинематиче-ски связанного с валом двигателя М2, будет иметь место второй кас-кад преобразования – механической энергии на валу двигателя М2 в электрическую энергию выхода генератора М3, которая может быть отдана в питающую сеть (при условии включения контактора КМ1). Этим объясняется высокий уровень экономичности каскадного спо-соба воздействия на параметры асинхронного двигателя.

При наличии тока в обмотке возбуждения (ОВ) двигателя М2, на его якоре будет создаваться ЭДС (ЕЯК). Ток роторной цепи асин-хронного двигателя М1 будет обусловлен величиной ЭДС его ротора (Е20s) за исключением ЭДС якоря (ЕЯК) и падения напряжения (ΔU) на активных сопротивлениях роторной цепи, включая сопротивления диодов мостового выпрямителя, находящихся в проводящем состоя-нии. Параметром ограничения этого тока является эквивалентное ак-тивное сопротивление всех элементов роторной цепи (Rек) [3,7]:

І2 = (Е20s - ЕЯК –ΔU) / Rек , (1.34)

где Е20 – среднее значение ЭДС на выходе выпрямителя при непод-вижном роторе двигателя (в начале пуска; ω = 0; s = 1);

Режиму холостого хода соответствует нулевое значение ротор-ного тока (І2=0). Скольжение ротора двигателя в этом режиме будет определяться величиной ЭДС якоря двигателя М2:

s0 = (ЕЯК +ΔU)/ Е20, (1.35)

mmЕЕ К

ππ

sin2 220 = , (1.36)

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

37

Регулированием тока возбуждения двигателя М2 можно форми-ровать его ЭДС якоря у широком диапазоне величин. Тогда каждая і-я величина ЭДС якоря будет обусловливать соответствующую вели-чину скольжения и скорости холостого хода двигателя М1:

)1(2

00 ЕЕ

К

ЯКіі

−=ωω , (1.37)

)( 00

220 ssRЕ

ЕК

М −≈ω

, (1.38)

На рис. 1.20, а приведена совокупность механических характе-

ристик асинхронного двигателя при его работе в составе АМВК, из которой следует, что с увеличением ЭДС якоря двигателя М2, воз-действующей на роторную цепь двигателя М1, угловая скорость по-следнего имеет тенденцию к уменьшению. Несколько уменьшенная жёсткость искусственных механических характеристик двигателя М1 в сравнении с его естественной механической характеристикой обу-словлена наличием незначительных активных сопротивлений в цепи ротора, создаваемых шинами (проводниками) присоединения выпря-мителя (В), его диодами в проводящем состоянии, обмоткой якоря двигателя М2.

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

Естественная механи-ческая характеристика

0 Мк

ω

б Рисунок 1.20 – Механические характеристики асинхронного двигателя с фа-зним ротором при регулировании угловой скорости асинхронным машино-вентильным (а) и асинхронным вентильным (б) каскадом

а Мmax

M

M

ω Естественная механическая характеристика

ЕЯК1 ЕЯК2 > ЕЯК1

ЕЯК3 > ЕЯК2

38

регулирования скорости ротора двигателя М1, – аналогичны выше-рассмотренным, однако, в отличие от АМВК, в схеме АВК дополни-тельная ЭДС, (Едоп), воздействующая на цепь ротора двигателя М1, создаётся не электрической машиной, а статическим силовым полу-проводниковым устройством - автономным инвертором (АИ). Его ти-ристорами управляет система импульсно-фазового управления, соз-давая заданные величины углов β опережения включения тиристоров. Поэтому справедливы следующие зависимости:

Едоп = ЕАІ0 cos β (1.39)

s0 = ЕАІ0 cos β /Е20, (1.40)

)1(2

000

cosE

EК

iAIi

βωω −= , (1.41)

где ЕАІ0 =2,34 ЕФТ – ЭДС холостого хода автономного инвертора (АІ) при β=0 эл. град.; ЕФТ=ЭДС фазы трансформатора TV1.

На рис. 1.20, б приведены механические характеристики асин-хронного двигателя при работе его в системе АВК, которые иллюст-рируют характер воздействия на процессы со стороны автономного инвертора, создающего различные величины дополнительных ЭДС в обмотках ротора двигателя в зависимости от величин фазовых уг-лов β.

Таким образом, каскадные средства позволяют регулировать ве-личину угловой скорости асинхронного двигателя в широком диапа-зоне, поддерживать достаточно высокий уровень жёсткости механи-ческих характеристик и отличаются возможностью возврата части энергии скольжения ротора в питающую сеть. В частности, в схеме АВК рекуперация энергии скольжения ротора двигателя М1 в пи-тающую сеть осуществляется через мостовой выпрямитель В1, тири-сторы автономного инвертора АИ1 и согласующий трансформатор TV1.

39

1.8 Электромеханические свойства синхронных двигателей

Синхронный двигатель относится к классу электрических ма-шин переменного тока, имеет статор с многополюсной трёхфазной обмоткой, однако отличается от асинхронных двигателей наличием якоря с обмоткой возбуждения, на которую подают постоянный ток. Рабочий режим этого двигателя отличается неизменной величиной угловой скорости якоря в широком диапазоне изменения момента со-противления, приложенного к валу двигателя. Поэтому его механиче-ская характеристика ω=f(M) представляет собой прямую, параллель-ную оси абсцисс. Величина угловой скорости якоря определяется частотой питающей сети.

Процесс пуска двигателя требует выполнения дополнительных операций, в частности, разгоняется такой двигатель, как правило, в режиме асинхронного пуска, когда обмотка возбуждения якоря оста-ётся подключенной на пусковой резистор RП. При достижении двига-телем угловой скорости 0,95 от синхронной (точка 2), обмотку воз-буждения якоря отключают от пускового резистора и подключают к источнику постоянного тока с целью ввода двигателя в синхронизм (точка 8 на рис. 1.21).

Важным параметром синхронного двигателя является его угло-

вая характеристика М=f(Θ), где Θ – внутренний угол смещения век-

ω

ω0

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

Сеть

КМ1

RП

М1

+ _

40

тора напряжения статора U1 относительно вектора ЭДС Е, индукти-рованной в обмотке статора магнитным полем ротора [1,3]. Уравне-ние угловой характеристики может быть найдено из анализа вектор-ной диаграммы синхронной машины (рис. 1.22). В соответствии с этой диаграммой,

U1 cos φ = E cos (φ-Θ) ,

cos (φ-Θ) = AB/AC = U1 sin Θ / I1XC

Тогда

U1 cos φ = Е U1 sin Θ / I1XC (1.42) Учитывая это, электромагнитная мощность синхронного двига-

теля равняется мощности, которая подводится; её значение с учётом (1.42) может бать определено следующим образом:

P= 3 U1 I cos φ = 3EIКЗ sin Θ, (1.43)

где IКЗ = U1 /XC - ток короткого замыкания.

Тогда электромагнитный момент машины определяется как: М = Р/ω0 = 3EIКЗ sin Θ/ ω0, (1.44)

Рисунок 1.22 – Упрощённая векторная диаграмма (а) синхронного двига-теля (без учёта потерь в активном сопротивлении статора) и угловая ха-рактеристика (б) синхронного двигателя

M max

M

0 900 1800 Θ,0

Θ

ψ φ

ψ U1

-E

I 0

I1XC

A

C

B

Рабочая часть

Неустой-чивое состояние

41

Таким образом, вращающий момент синхронного двигателя возникает при условии: Θ≠ 0, его максимальное значение имеет место при Θ=900. Повышение загрузки приводит к увеличению угла Θ. При условии Θ>900 нарушается условие устойчивости работы двигателя, что обусловлено уменьшением его электромагнитного момента и ве-роятностью выпадения из синхронизма.

1.9 Способы торможения электродвигателей

Не смотря на существенные отличия конструкций и принципа

действия двигателей постоянного и переменного токов, физические процессы при создании режимов их торможения имеют ряд принци-пиальных аналогий между собой. Начальным состоянием любого процесса торможения является двигательный режим работы электри-ческой машины. Признаком тормозного процесса является формиро-вание двигателем электромагнитного момента, направление которого встречно направлению угловой скорости вала двигателя.

1.9.1 Генераторное торможение двигателей

Условием перехода двигателя из двигательного состояния в ре-жим генераторного торможения является увеличение под действием внешней силы угловой скорости вала двигателя до величины, превы-шающей скорость холостого хода (двигатели постоянного тока по-следовательного возбуждения не могут находиться в состоянии холо-стого хода, потому они не могут работать и в режиме генераторного торможения). Процесс перехода двигателей постоянного тока и асин-хронных двигателей в режим генераторного торможения иллюстри-руется механическими характеристиками (рис. 1.23) и поясняется следующим

Перед началом генераторного торможения двигатель постоян-ного тока подключен к источнику постоянного тока и развивает уг-ловую скорость ω, меньшую, чем скорость холостого хода. Его ЭДС якоря Еяк пропорциональна угловой скорости и по величине остаётся меньшей, чем напряжение источника питания (постоянного тока).

Еяк = сФω; (1.45)

42

где с – конструктивный коэффициент, Ф – магнитный поток двигате-ля (постоянный при неизменной величине тока обмотки возбужде-ния).

При условии повышения угловой скорости якоря двигателя до

величины, превышающей скорость холостого хода ЭДС якоря, соот-ветственно, повышается и становится большей, чем напряжение ис-точника питания. Двигатель превращается в электрическую машину. генерирующую энергию постоянного тока в питающую сеть, а ток якоря изменяет своё направление. В формуле электромеханической характеристики двигателя следует учитывать этот ток со знаком «ми-нус»:

сФR

сФU І як∑−

−=ω , (1.46)

где ΣR – совокупность активных сопротивлений элементов, входящих в состав цепи якоря двигателя. Графической интерпретацией этого состояния является продолжение механической характеристики дви-гателя во второй квадрант (рис. 1.23, а).

По аналогии с вышеизложенным, в режим генераторного тор-можения переходит асинхронный двигатель, подключенный к элек-тросети при условии повышения (под действием внешней силы) уг-

Генераторное торможение асинхронного двигателя

Генераторное торможение двигателя постоянного тока

Двигатель-ный режим

Двигатель-ный режим

S<0S>0

S=0

MM 00

ωω

U>Eяк

U<Eяк U=Eяк

а б

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

Іяк

43

ловой скорости ω ротора до величины, превышающей скорость холо-стого хода ω0. При условии, когда ω > ω0, скольжение s ротора асин-хронного двигателя становится меньшим нуля:

s = (ω0 – ω)/ ω0; (1.47) Это необходимо учитывать в формуле механической характеристики двигателя. Графическая интерпретация этого состояния приведена на рис. 1.23, б и состоит в продолжении механической характеристики асинхронного двигателя из первого квадранта (двигательное состоя-ние) во второй квадрант.

1.9.2 Торможение двигателей противовключением

Торможение двигателя противовключением может быть приме-нено как для экстренной остановки привода в случае появления опас-ности аварии, так и в качестве рабочего торможения привода. При-знаком этого режима является то, что в момент снижения угловой скорости двигателя до нуля этот двигатель необходимо отключить от питающей сети, поскольку в противном случае начнётся его разгон в обратном направлении. Этот режим торможения может быть реали-зован как для двигателей постоянного тока, так и для асинхронных путём реверса включенного в сеть двигателя (рис. 1.24).

+ _

КМ

М

КМ1 КМ2

М

а б

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

трёхфазная сеть

ОВ

44

В этом случае двигатель перейдёт с характеристики 1 двига-тельного состояния (рис. 1.25) на продолжение характеристики, кото-рая соответствует вращению вала двигателя в обратном направлении (характеристика 2 во 2-м квадранте). С целью снижения динамиче-ских и токовых перегрузок двигателя постоянного тока целесообраз-но вместе с реверсом вводить сопротивление в цепь якоря, создавая условия перехода его с характеристики 1 на характеристику 3 (с ра-бочей точки «А» в точку «В»). В дальнейшем будет иметь место уменьшение угловой скорости двигателя (переход из точки «В» к точке «С» нулевой скорости).

В случае неотключения двигателя от сети в дальнейшем про-изойдёт его разгон в обратном направлении в соответствии со схемой подключения – по характеристике 2 или 3.

Существует иной способ создания режима торможения проти-вовключением, который распространяется на двигатели постоянного тока и на асинхронные двигатели с фазным ротором при условии, что момент сопротивления, приложенный к валу двигателя, способен оказать воздействие на направление вращения вала двигателя. Реали-

В

00

Торможение противовключением асинхронного двигателя

Двигатель-ный режим

ВА

СMM

ω

1

аб

Рисунок 1.25 – Механические характеристики двигателя постоянного тока (а) и асинхронного двигателя (б) в процессе перехода с двигательного ре-жима в режим торможения противовключением (реверс работающего дви-гателя)

Іяк

А 1

3

2

Торможение противовключением двигателя постоянного тока

ω

2

С

Двигательный режим

45

зация этого способа состоит в подключе-нии в силовую схему двигателя (якорь дви-гателя постоянного то-ка, либо ротор асин-хронного двигателя) значительного по ве-личине активного со-противления. В ре-зультате, механическая характеристика двига-теля преобразуется с естественной (1) в ис-кусственную (2), в со-ответствии с рис. 1.26. Это обусловливает пе-реход двигателя с ра-бочей точки «А» ха-рактеристики 1 в точку «В» характеристики 2. Однако, в этой точке

двигатель будет развивать электромагнитный момент, меньший, чем момент сопротивления (Мс) и, в соответствии с основным уравнением электропривода, начнётся уменьшение угловой скорости двигателя. В точке «С» характеристики 2 угловая скорость двигателя будет равна нулю, однако момент, развиваемый двигателем, останется меньшим момента сопротивления. Поэтому, в случае, если в этой точке двига-тель не будет отключен от питающей электросети, а момент сопро-тивления будет активным, в дальнейшем начнётся вращение вала двигателя под. действием момента сопротивления в обратном на-правлении, пока не будет достигнута точка «D» механической харак-теристики 2. В этой точке возобновится устойчивое состояние работы двигателя, поскольку момент сопротивления сравняется с его элек-тромагнитным моментом. Таким образом, рассмотренный процесс имеет все внешние признаки режима торможения противовключени-ем.

А

D

0

ВА

С

Mоп М

ω1

б

2

Dа

0

В

С

Mоп М

ω1

2

Рисунок 1.26 – Механические характеристики двигателя постоянного тока (а) и асинхрон-ного двигателя (б) в процессе перехода с дви-гательного режима в режим торможения про-тивовключением (подключение дополни-тельного активного сопротивления в цепь якоря (двигатель постоянного тока) или рото-ра (асинхронный двигатель)

46

1.9.3 Динамическое торможение двигателей

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

Іт = Еяк / (Rяк +Rт) (1.48)

Механическая характеристика двигателя постоянного тока в

режиме динамического торможения (рис. 1.28, а) определяется вы-ражением:

ω = Іт (Rяк +Rт) / сФ (1.49)

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

КМ

а

Rт Іт + _

М

Іяк Еяк

КМ1 КМ2

М б

3-фазная сеть

+ _ КВ

ОВ

47

Для переключения асинхронного двигателя из двигательного

состояния в режим динамического торможения следует отключить его статор от трёхфазной сети электропитания и подключить две фа-зы к источнику постоянного стока (например, к выходу управляемого выпрямителя УВ). В этом случае постоянный ток создаёт неподвиж-ное поле, основная волна которого создаёт синусоидальное распреде-ление индукции. Во вращающемся роторе возникает переменный ток, создающий магнитное поле, так же неподвижное относительно стато-ра. В результате взаимодействия суммарного магнитного потока с током ротора возникает тормозной момент, который является функ-цией магнитодвижущей силы статора, сопротивления ротора и угло-вой скорости двигателя [3]. Критический тормозной момент Мкт про-порционален квадрату эквивалентного тормозного тока Іэкв двигателя:

,)(2

3'20

22

хххІ

Мкг екв

+=

μ

μ

ω (1.50)

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

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

В

0

А

М

1

2

ω

3

4

В А

0 М

ω1

Іт ;Іяк;

Rт2>Rт1 Rт1

48

тивление ротора АД.; Е’20 – приведенная вторичная ЭДС при син-хронной угловой скорости ротора; Іμ – намагничивающий ток.

1.9.4 Принцип индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя Эффективность процесса динамического торможения асинхрон-

ного двигателя в значительной степени определяется величиной по-стоянного (выпрямленного) тока в фазах его статора. С другой сторо-ны. величина этого тока обусловлена напряжением, подведенным к статору и величиной ЭДС вращения, индуктируемой в обмотках ста-тора вращающимся полем токов ротора. В случае, если полярность ЭДС вращения будет совпадать с полярностью приложенного напря-жения, её действие будет направлено на уменьшение величины тор-мозного тока. Это будет определяться разностью потенциалов мгно-венных значений подведенного напряжения и ЭДС вращения, и при-водить к уменьшению интенсивности торможения двигателя. Таким образом, эффективное динамическое торможение асинхронного дви-гателя может происходить при условии отсутствия в его статорных обмотках обратной ЭДС вращения.

Эффективность способа индукционно-динамического торможе-ния асинхронного двигателя состоит в устранении упомянутой ЭДС вращения (в начале тормозного процесса), при котором создаются значительные по амплитуде импульсы тормозного тока. В горной промышленности режим индукционно-динамического торможения применяется для плавной остановки электроприводов бремсберговых ленточных конвейеров, экстренной остановки электроприводов неко-торых других горных машин. Процесс индукционно-динамического торможения создаётся силовой тиристорной схемой в цепи статора асинхронного двигателя в соответствии с рис. 1.29 и предусматривает чередование состояний динамического (ДТ), индукционного (ИТ) и, собственно, индукционно-динамического (ИДТ) торможения двига-теля [8].

49

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

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

Im ИДТmax Im ДТвст

Im ИТmax

Im ДТ

Im ИТ

іГ

UmAB

t ев

u

α

0,02c uAB; eв ; iТ

u

0

Рисунок 1.29 – Расчётная схема для исследования процесса индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя

50

( ) ( )( ) ( )( )( )iiLiiLe rkkrrskksbв p +++=++ 110 223/1 ω , (1.51)

где p – число пар полюсов асинхронного двигателя; is; ir – токи ста-тора и ротора; L0 – индуктивность главного магнитного поля в расчё-те на фазу асинхронного двигателя.

Процесс индукционно-динамического торможения иллюстриру-ется диаграммами соответствующих параметров асинхронного двига-теля и питающей сети (рис. 1.30).

На интервалах динамического торможения полярности uAB и eв одинаковы. При этом uAB >eв . Начало ДТ определяется углом отпира-ния α тиристоров VS1 и VS, а окончание – углом их проводимости β. Тормозной ток i определяется разностью между мгновенными значе-ниями uAB и eв .

eudtdiLri ABобABTHHT )(/ −=+ ; (1.52)

где rн; Lн – общие активное сопротивление и индуктивность цепи протекания тормозного тока.

На интервале ИТ тиристор VS3 находится в проводящем состоя-нии, в то время, как тиристоры VS1 и VS2 – в непроводящем. Величина тормозного тока iТ определяется мгновенными значениями ЭДС вра-щения двигателя (eв ).

edtdiLri ABвTHHT )(/ =+ ; (1.53)

На каждом из интервалов ДТ и ИТ величина ЭДС вращения оп-

ределяется соответствующими её амплитудой (Ев mi) и начальной фа-зой (γ ):

( )( )ssrIE rrв /1'' −= ; (1.54) ( )γω += tbiвmiвi Ee sin , (1.55)

где ( )sbi −= 10ωω - угловая частота ЭДС вращения, соответствующая i-му интервалу торможения, уменьшается в пределе - до нуля.

По мере снижения угловой скорости асинхронного двигателя уменьшаются амплитуда и частота его ЭДС вращения, и наступает состояние, когда полярности uAB и eв будут различными. В этом слу-

51

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

eudtdiLri ABвABTHHT )(/ +=+ . (1.56)

Выражения (1.52; 1.53; 1.56) решаются поэтапно, в порядке по-

явления интервалов с характерными, рассмотренными выше состоя-ниями торможения. При этом учитываются соответствующие началь-ные условия, величина и частота ЭДС вращения асинхронного двига-теля. Их решением является следующее выражение:

( ) ( ) ⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+= ∫

−−t

tdtTtuCTtt

K

п

HH e tLei HT

// /)( ; (1.57)

где tп; tк – моменты начала и окончания соответствующего интервала торможения, С=u(tн)/zн; ТН – постоянная времени обмоток ротора двигателя (Тн= Lн/rн)

При отсутствии тока через VS1 и VS2 ток в тиристоре VSЗ опреде-ляется величиной ЭДС самоиндукции асинхронного двигателя:

,)()( /TнtпіTТ etiti −= (1.58)

где tпі - момент начала упомянутого выше і-го состояния.

Тормозной ток существенно зависит от величин улов α отпира-ния тиристоров VS1; VS2. Его величина определяет уровень тормозно-го момента (МТ), влияющего на интенсивность торможения двигате-ля:

,2

0

12

2

нач

ГТ S

riМ ω= (1.59)

где ω0 и Sнач – соответственно, синхронная частота вращения ротора асинхронного двигателя и его скольжение в начале ИДТ.

( ) eii Tt НТначТ

t /−= ; (1.60)

52

где iТ нач– начальная величина тормозного тока соответствующего ин-тервала.

По окончании гашения обратной ЭДС вращения асинхронного двигателя его тормозной ток будет определяться только проводящим состоянием тиристоров VS1; VS2 с учётом угла α их фазового регули-рования.

Техническая реализация рассмотренного принципа применена в аппарате управления торможением электропривода горной машины АТЭМ (рис. 1.31) [9]. В этом аппарате предусмотрены фиксирован-ные уставки продолжительности торможения электропривода скреб-кового конвейера: 0,15 с; 0,5 с; 0,8 с; электропривода ленточного кон-вейера: 16 с; 32 с.; 64 с. В процессе работы команда на торможение асинхронного двигателя электропривода формируется при отключе-нии основного контактора КМ1. В этом случае схема аппарата реали-зует следующий алгоритм:

- включение контактора КМ2 цепи торможения; - определение отсутствия тока в силовой цепи контактора КМ1

(задействованы датчики тока ТА1 и ТА2, блок реле БР1); - формирование временной задержки на начало торможения и

дальнейшее отпирание тиристоров VS1 и VS2 с заданными величина-ми фазовых улов α отпирания.

Рисунок 1.31 –Структурная схема аппарата АТЭМ

53

Задержка времени на начало процесса индукционно-динамеического торможения необходима для исключения условий создания цепи короткого замыкания в случае отпирания тиристора VS2 при налички тока в цепи контактора КМ1. Функция создания фа-зовых улов α отпирания тиристоров VS1 и VS2 выполняется совмест-ной работой блока синхронизации (БС) схемы фазового управления с фазными напряжениями сети и блоков управления БУ1 и БУ2. Фор-мирование импульсов, которые непосредственно поступают на цепи управления тиристоров производится блоками формирования им-пульсов (БФІ1 и БФІ2). Эти же блоки реализуют функцию гальвани-ческой развязки силовых цепей электропитания приводного двигате-ля и цепей блоков управления.

Режим индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя реализуется так же схемой аппарата АПМ-1 (рис. 1.32) при управлении снижением скорости рабочего органа привода ленточно-го бремсбергового конвейера перед наложением механических тор-мозов [10].

Торможение начинается с отключения всех тиристоров регу-

лятора напряжения ТРН и, в дальнейшем, обеспечивается проводя-щим состоянием тиристоров VS2; VS32; VS7, при этом, последний включают при условии отсутствия тока в тиристорах VS1 и VS4.

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

КМ1

ТРН

VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6

VS7

Выход

Вход

54

1.10 Принципы построения систем управления электроприводами

Для управления скоростными режимами электроприводов при-меняют как разомкнутые, так и замкнутые системы автоматического управления (САУ). Разомкнутые САУ реализуют заранее заданный алгоритм воздействия на объект регулирования без учёта его пара-метров (состояния) на момент формирования управляющего воздей-ствия. Примером такой САУ является устройство автоматического управления пуском асинхронного двигателя с фазным ротором путём переключення роторных резисторов в функции продолжительности разгона в соответствии со схемой (рис. 1.16). Переключение групп роторных резисторов происходит в заранее определённые интервалы времени путём поэтапного включения контакторов в порядке: КМ1-КМ2-КМ3, которые выводят из работы группы дополнительных ро-торных резисторов, соответственно, Rдоп1-Rдоп2-Rдоп3.

Траектория изменения величины угловой скорости ротора дви-гателя и его электромагнитного момента (рис. 1.33) представляет со-бой экспоненту с постоянной времени, определяемой параметрами привода, включая величину роторного сопротивления:

( )eT Mi

t

КііначКі

−

−+= ωωωω _ ; (1.61)

( )eMMMM T Msi

t

КіКі

−

−+= 1 ; (1.62)

ТМі = Jω0sНі, (1.63)

где ωКі; МКі – соответственно, конечные значения угловой скорости и момента двигателя при его роботе на соответствующей і-й механиче-ской характеристике в точке номинального момента нагружения (МН); ωначі – начальное значение угловой скорости двигателя при его работе на і-й механической характеристике в точке момента пере-ключения М1; sНі – скольжение двигателя при номинальном моменте нагружения и работе на соответствующей і-й механической характе-ристике; J- момент инерции привода.

Учитывая выражения (1.61) – (1.63), расчётные интервалы вре-мени tPi работы двигателя на искусственных механических характе-ристиках определяются в соответствии с зависимостями:

55

)(ln ωωωωω

іначіRs

начiKiMiРі Tt Δ+−

−= ; (1.64)

где Δωі – приращение скорости при работе двигателя на і-й искусст-венной механической характеристике на интервале перехода от мо-мента М1 к моменту М2.

Несмотря на простоту реализации, этому способу присущи оп-ределённые недостатки, которые выражены в невозможности стаби-лизации диаграммы фактической угловой скорости двигателя при ко-лебаниях момента сопротивления. Так, при повышенном моменте со-противления (в сравнении с расчётным) процесс разгона будет замед-лен, и двигатель не будет успевать в течение расчётного времени tPi повышать на расчётную величину Δωi свою угловую скорость. В слу-чае, если к валу двигателя будет приложен момент сопротивления (Мс), меньший расчётного, то двигатель за расчётное время tPi повы-

ЕМХ

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

ω1

56

сит свою угловую скорость на величину, превышающую расчётное значение. Δωi, и даже сможет достичь состояния устойчивого равно-весия, когда электромагнитный момент его при работе на і-й искусст-венной механической характеристике, будет уравновешен моментом сопротивления.

Стабилизация диаграммы фактической угловой скорости двига-теля при неустойчивом моменте сопротивления может быть достиг-нута путём применения замкнутых систем автоматического управле-ния (САУ) приводом. На рис. 1.34 приведена функциональная схема простейшей – одноконтурной САУ, которая относится к следящим системам с пропорциональным управлением и, как правило, приме-няется для обеспечения управляемого разгона электропривода с под-держанием соответствия его фактической скорости величине задан-ной скорости в условиях колебаний момента сопротивления, в серво-приводах перемещения исполнительного органа в соответствии с диаграммами изменений управляющего сигнала и т.п.

Структура САУ следящим электроприводом составлена из со-единённых последовательно узла сравнения (УС), согласующе-усиливающего узла (СУУ), регулятора (Р), и двигателя (Д). Рассмот-рим пример, где параметром управления является фактическое угло-вое перемещение Θф вала рабочего органа привода (например, мотор-редуктора), величина которого измеряется соответствующим датчи-ком параметра управления (ДПУ). Выходной величиной этого датчи-ка является пропорциональное напряжение Uф = k1 Θф, сравниваемое в УС с напряжением Uз = k1Θз , пропорциональным заданному пара-метру перемещения. Выходное напряжение УС Uу = k1ΔΘ пропор-ционально величине рассогласования ΔΘ между заданной и фактиче-ской величинами перемещения (Θз и Θф), где k1 – коэффициент про-порциональности.

57

Передаточный коэффициент всей электромеханической системы

представляет собой произведение нескольких коэффициентов: про-порциональности: k1 усиления kу (СУУ) и передаточных коэффициен-тов: двигателя kД и регулятора kР.

k = k1 kу kД kР ; (1.65)

Коэффициент демпфирования F системы определяется совокуп-

ностью параметров жёсткости β механической характеристики двига-теля (отношением диапазона колебания электромагнитного момента двигателя к соответствующему диапазону колебания его угловой скорости и коэффициента трения (f) [1].

F= β +f; (1.66)

Постоянная времени электромеханической системы обусловлена

величиной момента инерции J привода и определяется выражением:

Т = 2J/ F; (1.67)

С учётом (1.65–1.67), величина рассогласования ΔΘ фактическо-го Θф и заданного Θз параметров управления определяется из выра-жения [1]:

)sin(2222 2)1()( ψ+ΩΩ +−++=ΔΘ−

qtkTqe TkF

TF

kqkF

Tt

зз ; (1.68)

2)2

(J

FJkq −= ; (1.69)

СУУ Р

ДПУ

Д

УС Uз =k1ωз

Uф = k1ωф

Uу = k1Δω ωф

_

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

58

kTFqTFtg−

=ψ , (1.70)

где Ωз = dΘз /dt – скорость изменения заданного параметра регулиро-вания (заданной скорости привода).

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

Ω=ΔΘ зkF . (1.71)

Амплитуда рассогласо-вания ΔΘ оценивается коэффициентом успокое-ния λ следящей системы:

kJF

2=λ , (1.72)

При выполнении

управляемого пуска элек-тропривода в соответст-вии с заданной диаграм-мой скорости двигателя подобная одноконтурная система автоматического управления осуществляет управляющую функцию применительно к двига-телю в зависимости от величины и знака рассо-гласования фактической

0 t

Θ з; Θф

Θ з = f(t)

Θф = f(t)

ΔΘ

Рисунок 1.35 – График процесса управ-ления перемещением рабочего органа следящего электропривода при приме-нении одноконтурной САУ

59

и заданной угловой скорости. В этом случае возможны скачкообраз-ные воздействия на объект управления по отклонению его фактиче-ской скорости от заданной как в большую, так и в меньшую сторону. Точность поддержания заданного графика скорости в значительной степени обеспечивается за счёт минимизации постоянных времени датчика параметра управления (в данном случае – датчика скорости), согласующе-усилительного узла и регулятора.

Этот принцип может быть реализован электроприводом с асин-хронным двигателем при применении тиристорного регулятора на-пряжения (схема на тиристорах VS1-VS6, рис. 1.32) в цепи его стато-ра и характеризуется совокупностью механических характеристик (рис. 1.17). Система автоматического управления, замкнутая по пара-метру скорости привода, способна поддерживать угловую скорость двигателя на заданном уровне в диапазоне от нуля до номинальной путём коррекции управляющего воздействия на двигатель в функции отклонения фактической скорости от заданной. Однако, при работе на угловых скоростях, меньших номинальной, двигатель потребляет повышенный ток (1.21), который может многократно превышать но-минальную величину (рис. 1.12). Поэтому данный принцип управле-ния применяют исключительно для реализации плавного пуска асин-хронного двигателя при условии выполнения заданной диаграммы скорости с последующим контакторным шунтированием (контактор КМ1, рис. 1.32) фаз тиристорного регулятора напряжения. Преиму-ществом схемотехники реализации этого принципа является упро-щённая схема преобразователя (ТРН выполнен на 6-и силовых тири-сторах), что существенно упрощает задачу обеспечения приемлемого теплового режима преобразователя при размещении его во взрыво-защищённой рудничной оболочке.

Улучшенными функциональными свойствами обладает много-контурная система подчинённого автоматического регулирования электропривода. Такая система содержит определённое количество контуров в соответствии с количеством регулируемых переменных. На входе каждого контура производится сравнение заданного сигнала с фактическим значением выходной координаты данного контура. Выходной параметр соответствующего контура является заданием для последующего (внутреннего) контура. Таким образом, все внут-ренние контуры функционируют как подчинённые общей задаче ре-гулирования величины выходного параметра системы.

60

Обобщённая структурная схема системы подчинённого регули-рования (рис. 1.36) предусматривает, что каждый её контур может быть представлен двумя составляющими: регулятором Wpег2 и объек-том регулирования W’об.

Непосредственно объект регулирования включает в себя выход-ное звено данного контура, т.е., собственно, объект Wоб2 и замкнутый контур регулирования Wз1, внутренний по отношению к рассматри-ваемому контуру.

Расчёт системы подчинённого регулирования состоит в выборе типов регуляторов и определении их параметров и выполняется по-следовательной оптимизацией отдельных контуров, начиная с внут-реннего. Оптимизация замкнутого контура считается достигнутой, если переходный процесс регулируемой величины при скачкообраз-ном воздействии не будет зависеть от параметров объекта управления и цепи обратной связи. Это может быть достигнуто в случае, если ре-гулятор контура будет иметь передаточную функцию, обратную от-носительно передаточной функции объекта и цепи обратной свя-зи [11].

При расчёте системы подчинённого регулирования некомпенси-руемые постоянные времени вводят непосредственно во внутренний контур регулирования. Тогда, в случае, если объектом регулирования внутреннего контура является апериодическое звено, передаточная функция объекта внутреннего оптимизируемого контура будет опре-деляться выражением:

Wоб 1 (р) = Wоб к (р) / (Тμр+1); (1.70) где Wоб к (р) - передаточная функция звена, действие которого ком-пенсируется регулятором данного контура; Тμ- эквивалентная малая постоянная времени, не компенсируемая регулятором.

Передаточная функция регулятора:

Wрег1 (р) = 1 / (Wоб к (р) а1Тμр); (1.71) где а1 – коэффициент настройки первого контура, определяющий сте-пень его демпфирования.

61

В соответствии с (1.70) и (1.71), передаточные функции разомк-

нутого и замкнутого оптимизированных контуров определяются вы-ражениями:

Wроз1 (р) = Wрег1 (р) Wоб 1 (р) =1/( а1Тμр(Тμр+1)); (1.72) Wз1(р)= Х1(р)/Хз1(р) = Wроз1(р)/(1+Wроз1(р)) =1/(а1Тμр(Тμр+1)+1). (1.73)

В дальнейшем, при оптимизации внешнего контура определяет-ся передаточная функция его объекта регулирования. Она соответст-вует последовательно соединённым замкнутому внутреннему конту-ру и, собственно, объекту управления внешнего контура:

W’об2(р) = Wз1(р) Wоб2(р). (1.74)

В данном объекте компенсации подлежит постоянная времени, собственно, объекта управления Wоб2(р), а передаточная функция, инерционность которой не компенсируется, будет равна передаточ-ной функции оптимизированного внутреннего замкнутого контура Wз1(р) без учёта слагаемого при р2 в знаменателе (1.73).

Регулятор для объекта по (1.74) определяется аналогично внут-реннему контуру в соответствии с выражением (1.71):

Wpег2 Wоб2 Wоб1 Wpег1 Хз2

Хз1 Х 1 Х2

Wз1

_ _

Рисунок 1.36 – Обобщённая структурная схема системы подчинённого регулирования

W’об2

62

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

Передаточные функции разомкнутого и замкнутого внешних контуров, соответственно, равны: Wроз2 (р) = Wрег2 (р) W’об 2 (р) = 1/ (а1 а2Тμр(а1Тμр(Тμр+1)+1)), (1.76)

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

Изменяя в выражениях (1.73) и (1.77) коэффициенты настройки

контуров а1 и а2, можно получить разнообразные переходные процес-сы, в т.ч., неустойчивые (колебательные). Практическую актуаль-ность представляет получение технически оптимального переходного процесса, который характеризуется определённой продолжительно-стью при не превышении перерегулированием 4÷10%.

Примером технической реализации системы подчинённого ре-гулирования является электропривод постоянного тока системы „ти-ристорный регулятор – двигатель” (управляемый выпрямитель – дви-гатель) с автоматической системой поддержания заданного параметра скорости, построенной из двух контуров – внешнего контура скоро-сти и внутреннего контура тока (рис. 1.37).

В цепи якоря двигателя М1 предусмотрены управляемые вы-прямители УВ1 и УВ2) для обеспечения движения якоря двигателя в прямом и обратном направлении. Выходное напряжение этих выпря-мителей регулируется в полном диапазоне соответствующими систе-мами импульсно-фазового управления (СИФУ1 и СИФУ2) по коман-дам с выхода регулятора тока (РТ). Параметр заданного тока опреде-ляется параметром регулятора скорости (РС), на который подаётся сигнал управления с выхода задатчика интенсивности изменения ско-рости (ЗС).

Обратная связь по току снимается с выхода блока датчиков тока (ДС), предусмотренных во входной силовой цепи переменного тока выпрямителей. В этом случае могут быть использованы трансформа-торы тока в качестве датчиков, что упрощает гальваническую развяз-ку системы управления и силовой цепи электропривода. Функцио-нальный узел ДТ может быть включен непосредственно в цепь якоря двигателя М1. Однако, в этом случае будет иметь место определение величины постоянного тока якоря, т.е., становится невозможным применение трансформатора тока в качестве ДТ. Для измерения по-

63

стоянного тока потребуется шунт, что создаёт трудности в дальней-шем использовании его крайне малого по величине аналогового сиг-нала с учётом необходимости гальванической развязки системы управления от напряжения силовой цепи якоря двигателя М1.

Эта обратная связь по току поступает на вход регулятора тока РТ. В качестве датчика скорости может быть использован, в частно-сти, тахогенератор (BR), выходной сигнал которого сравнивается с напряжением, пропорциональным заданному значению скорости на входе регулятора скорости (РС). Ограничение тока якоря осуществ-ляется стабилитронами VD1; VD2 в цепи обратной связи РС.

В соответствии с конфигурацией схемы, регулятор тока выпол-нен как пропорционально-интегральный (ПИ-регулятор). Его переда-точная функция определяется выражением:

Wрс(р)= RЯ(TЯ p+1) / (aС Тμр k1k2). (1.78) Техническим решением относительно реализации ПИ-

регулятора может быть операционный усилитель с ёмкостной обрат-ной связью (в соответствии со схемой, рис. 1.37):

Параметры регулятора тока определяют из соотношений:

ТРТ = C1R2 ; (1.79) ТІР = C1R5 = aС Тμ k1k2 / RЯ ; (1.80) k1 = R5/R1 (1.81)

где ТРТ – постоянная времени РТ; ТІР - постоянная времени интегри-рующего регулятора; k1 - передаточный коэффициент ДТ с учётом коэффициента усиления его выходного сигнала (в случае необходи-мости усиления); k2 - коэффициент усиления тиристорного преобра-зователя (управляемого выпрямителя). RЯ – сопротивление якоря дви-гателя М1; aС - параметр настройки контура тока.

Wрс(р)= (1+C1R2p)/ (C1R5p), (1.82)

С учётом выражений (1.81) и (1.82) может быть найдена вели-чина сопротивления R1 при условии принятия определённой величи-ны ёмкости конденсатора С1:

R1 = k1k2 aС Тμ / (RЯ C1). (1.83)

64

Сопротивление R5 определяют из условия ограничения тока

двигателя соответствующим ограничением выходного напряжения UЗС max РС:

UЗС max = k1IЯmax, (1.84)

ЗС РТ

СИФУ1

СИФУ2

ДТ

УВ1

УВ2

РС

Электрическая сеть

TV1

R1

R2

R3

R4

R5

R6

C1

VD1 VD2

BR

M1

Uз

ОВ

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

+

+

_

_

65

где IЯmax – ток максимально допустимой рабочей перегрузки двигате-ля М1.

Из (1.82) и (1.84) может быть найдено сопротивление:

R5 = R1 UЗС max / k1IЯmax. (1.85)

Регулятор скорости (РС) выполняют по схеме пропорциональ-ного регулятора (П-регулятора) на основе операционного усилителя:

Wрш(р)= k1 ТM сД / (aС aш Тμ RЯ kс ) = R4/R3 (1.86)

где сД – конструктивная постоянная времени двигателя; ТM – элек-тромеханическая постоянная времени системы; kс – коэффициент об-ратной связи по скорости:

kс = kТГ R3/R6 ; (1.87) R3/R6 = Uзс max / kТГωз max (1.88)

где kТГ=(UТГ /ω) – передаточный коэффициент тахогенератора, UТГ – напряжение выхода тахогенератора; ωз max – максимальное значение заданной угловой скорости вала двигателя М1; Uзс max – выходное на-пряжение задатчика скорости, соответствующее величине ωз max. При определении параметров П-регулятора скорости один из параметров в (1.86); (1.87), как правило, задаётся.

В рассматриваемой схеме рассогласование фактической и за-данной скорости двигателя будет отработано как скачкообразный вы-ходной сигнал РС, соответствующей амплитуды. Эта амплитуда оп-ределяет скорость изменения заданного параметра тока двигателя, что приведёт к соответствующей отработке тиристорным выпрямите-лем путём изменения выходного напряжения последнего (напряже-ния питания двигателя). Это управляющее воздействие будет проис-ходить в функции рассогласования фактического тока двигателя с за-данной величиной и будет прекращаться при равенстве фактического и заданного токов двигателя. В случае равенства заданной и фактиче-ской скорости двигателя команда на задание тока двигателя будет равна «нулю». Таким образом, применение двухконтурной системы подчинённого регулирования с внутренним контуром тока характери-зуется минимизацией энергопотребления и отсутствием динамиче-ских воздействий на объект управления.

66

1.11 Средства управления скоростными режимами электродвигателей

1.11.1 Системы импульсно-фазового управления

Тиристорная преобразовательная техника занимает одну из ли-

дирующих позиций в системах регулирования параметров электро-приводов. В зависимости от структуры силовой схемы и алгоритма управления тиристорами маловентильные преобразовательные уст-ройства могут выполнять функции управляемых выпрямителей или регуляторов напряжения промышленной частоты. В обоих случаях работа схемы позволяет изменять выходное напряжение по величине в полном диапазоне, начиная с нуля. Изменение величины напряже-ния, подводимого к двигателю, в этом случае обеспечивает возмож-ность регулирования скорости якоря двигателя постоянного тока, ли-бо изменение электромагнитного момента асинхронного двигателя. Непосредственное регулирование параметров тиристорного регуля-тора напряжения или тиристорного (управляемого) выпрямителя осуществляется системой импульсно-фазового управления (СИФУ). Рассмотрим работу СИФУ, начиная с анализа условий работы тири-стора в схеме (рис. 1.38).

Условием включения тиристора VS1 в цепи, (рис. 1.38 а), явля-ется следующее соотношение напряжений на его аноде и катоде: UA > Uк и наличие управляющего импульса на управляющем электроде (положительном относительно катода). Условием отключения тири-стора является соотношение напряжений: UA < Uк , либо обесточива-ние его силовой (котодно-анодной) цепи. При наличии синусоидаль-ного напряжения, приложенного к силовой цепи тиристора и отсутст-вии импульса управления данный тиристор VS1 будет оставаться в непроводящем состоянии. Он откроется только в момент tн (рис. 138, б) появления импульса управления и будет открыт до момента tк из-менения полярности анодного напряжения. Таким образом, изменяя величину фазовой задержки α подачи управляющего импульса, мож-но регулировать величину действующего значения напряжения на на-грузке:

dtuttТ

U к

н

21∫Δ

= (1.89)

67

Промежуток времени между нулевым значением возрастающего

анодного напряжения тиристора и моментом его включения (α) – это угол отпирания ти-ристора. Промежу-ток времени, в тече-ние которого тири-стор остаётся в от-крытом состоянии (β) – это угол прово-димости тиристора. Единицами измере-ния этих углов явля-ются электрические градусы или радиа-ны.

Система им-пульсно-фазового

управления (СИФУ) предназначена для формирования углов

α отпирания тиристоров регулятора напряжения. Действие СИФУ по-ясняется диаграммами напряжений (рис. 1.39). Каждый тиристор ре-гулятора напряжения коммутирует полуволну напряжения соответст-вующей фазы и полярности. Поэтому импульсы управления, посту-

Анод

Катод

UК

RH

Uуе uA uК

ωt

tн tк

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

а б

Управляющий электрод

Рисунок 1.39 - Диаграммы напряжений канала СИФУ

ωt

ωt

t

t

UОП UОП

uC

0 UK1

UG1

UK2

68

пающие на тиристоры, должны быть синхронизированы с соответст-вующими фазными напряжениями сети. Таким образом, на вход ка-нала СИФУ должно подаваться напряжение UС, синхронизированное с напряжением сети. Это позволяет в дальнейшем формировать пря-моугольные (UК1) и пилообразные (UG1) импульсы на интервалах су-ществования соответствующих полуволн напряжения синхронизации. Выходные импульсы канала СИФУ формируются в результате срав-нения пилообразных импульсов (UG1) с опорным напряжением Uоп при условии UG1 > Uоп. Таким образом, изменяя величину напряжения Uоп можно перемещать во времени передний фронт импульсов UК2. Эти импульсы могут быть использованы в качестве управляющих для соответствующего тиристора регулятора напряжения.

В соответствии с изложенным, функциональная схема одного канала СИФУ (рис. 1.40) должна содержать синхронизирующее уст-ройство, два компаратора К1 и К2, формирователь пилообразного на-пряжения G1. На выходе компаратора К2 предусмотрен усилительно-развязывающий блок (УРБ).

Функцию сравнения напряжений в этой схеме выполняет компа-ратор – электронное устройство, имеющее два входа: статический и инверсный, и формирующее на выходе сигнал логической «едини-цы», если напряжение на статическом входе превышает величину на-пряжения на инверсном входе. Функцию компаратора выполняет операционный усилитель при отсутствии внешних цепей обратной связи.

В качестве синхронизирующих для СИФУ наиболее широкое применение нашли трёхфазные трансформаторы напряжения (рис. 1.41), в которых выходные фазные напряжения смещены одно отно-

Uоп

ПС УРБ

к сети

= =

К1

G1 = = К2

к другим каналам СИФУ

Рисунок 1.40 – Структура одного канала СИФУ

69

сительно другого на 120 ел. град. Для формирования импульсов, син-хронизированных с положительными и отрицательными полуволна-ми каждого фазного напряжения входы компараторов смежных кана-лов (одной фазы) подключают к выходной фазной обмотке транс-форматора в соответствии со схемой (рис. 1.41, а).

Напряжение пилообразной формы может быть сформировано способами: перезаряда ёмкости переменным током прямоугольной формы, либо зарядом ёмкости через резистор от источника постоян-ного напряжения и последующим быстрым её разрядом.

Усилительно-развязывающий блок (УРБ) предназначен для уси-ления по мощности импульсов управления, поступающих на тири-сторы и гальванической развязки по напряжению силовых цепей (с тиристорами) и цепей управления (СИФУ). Распространены схемы УРБ на основе использования генератора отпирающих импульсов (ГОИ), формирующего последовательность мощных импульсов вы-сокой частоты UГОИ. При появлении выходных импульсов СИФУ (UК2) соответствующими ключевыми транзисторами выход ГОИ при-соединяется к первичным обмоткам соответствующих трансформато-ров. На их выходных обмотках формируются «пакеты» импульсов UВЫХ ГОИ достаточной мощности, не имеющие гальванической свя-ти с цепями СИФУ (рис. 1.42).

При управлении преобразовательными устройствами, содержа-щими несколько тиристоров количество каналов СИФУ (рис. 1.40) соответствует количеству тиристоров. Все эти каналы управляются

Канал І

Компараторы

uA

uB uC

Канал ІІ б

а

TV 1

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

70

t

t

t

UГВІ

UК2

UВЫХ

Рисунок 1.42 - Диаграмма напряжений УРБ при формировании пакетов импульсов для отпира-ния тиристора

одним опорным напряжением и могут иметь общие функциональные узлы (например, узел синхронизации, генератор отпирающих им-пульсов).

Кроме рассмотренного, существует несколько других способов

реализации функции СИФУ. В частности, высокой точностью фор-мирования фазовых углов α отпирания тиристоров отличаются циф-ровые микропроцессорные схемы (рис. 1.43). В такой схеме основ-ную функцию выполняет микроконтроллер, который в соответствии с программой осуществляет отсчёт углов отпирания тиристоров (α), пропорциональных опорному напряжению Uоп. Функцию усиления и гальванической развязки выходных импульсов микроконтроллера (для управления силовыми тиристорами VS1, VS2) выполняют опто-пары V1.1, V1.2, транзисторы VT1-VT4, трансформаторы TV3, TV4.

71

Uc

Uу

Uк1

~220

Uоп

Uнг

Рисунок

1.43

– Схема

канала СИФУ

, выполненного

на ми

кроконтроллере

72

1.11.2 Управляемые выпрямители Силовые управляемые (тиристорные) выпрямители (УВ) приме-

няются в электроприводах постоянного тока. Преимущественно в промышленности применяют трёхфазные мостовые схемы (рис. 1.44). В схеме выпрямителя тиристор, анод которого имеет наиболее высо-кий потенциал, включается в работу, если на его управляющий элек-трод будет подан импульс управления. При условии фазовой задерж-ки α этого импульса выпрямленное напряжение Uвып понижается, а его пульсация увеличивается. Среднее значение выпрямленного на-пряжения составляет:

Uвып = Еα о cosα , (1.90)

(1.91)

где Е α о - макси-мальная величина выпрямленного на-пряжения (при α=00); Е2ф – действующее значение фазной ЭДС вторичной об-мотки трансформа-тора; m - число фаз входа выпрямителя.

В схеме выпря-мителя одновремен-

но функционируют два тиристора на интервалах коммутации. Ток че-рез нагрузку RH проходит последовательно через них и две фазы трансформатора под действием разности соответствующих фазных ЭДС, т.е., под действием линейной ЭДС. На протяжении периода входного переменного напряжения работают все 6 тиристоров вы-прямителя. В этом случае: Еα c=1,35 Е2π =2,34 Е2ф, (где Е2π - дейст-вующее значение линейной ЭДС вторичных обмоток питающего трансформатора). В мостовой схеме режим непрерывного тока сохра-няется при 0˚≤α≤120˚ (рис. 1.45).

RH

КВ

А

В

С

Рисунок 1.44 – Трёхфазная мостовая схема управляемого выпрямителя

73

1.11.3 Преобразователи частоты со звеном постоянного тока

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока (ПЧ-ПТ)

всё более широко применяются в системах электроприводов горных машин как средства, обеспечивающие продолжительную работу асинхронного двигателя при устойчивой частоте вращения ротора в диапазоне от нулевого значения до номинальной величины. Этот спо-соб основан на свойстве асинхронной машины поддерживать угло-вую скорость вращающегося магнитного поля, которое формируется в магнитной системе „статор-ротор”, в строгом соответствии с часто-той f напряжения, подводимого к статору. Это обусловливает соот-ветствующий уровень частоты вращения холостого хода ω0 ротора АД : ω0 = 2πf / p (где р – число пар полюсов АД).

Рисунок 1.45- Диаграмма напряжений мостового управляемого випря-мителя: а – нпряжения входа; б, в – напряжения выхода при

(б); = 1200 (в) ( - угол отпирания тиристора относительно ли-нейного напряжения)

0

uА uВ uС

ωt

u

t в

uвых2

0 120 0

300

74

Реализация частотного способа управления угловой скоростью АД состоит в использовании полупроводникового статического уст-ройства, преобразующего переменное напряжение сети промышлен-ной частоты в переменное напряжение заданной частоты f и вели-чины U .

Типовая схема ПЧ-ПТ (рис. 1.46) состоит из выпрямителя В,

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

Рисунок 1.46 – Структурная схема частотно-управляемого электропривода

~Uпит

В

Упр. БУ Iп

Uп

БГ АІ

М

Rг

БВ

L2 L1 L3

75

С целью создания вращающегося поля в статоре АД тиристоры

АИ включаются группами, например, в соответствии с диаграммой рис. 1.47 Частота переключения групп тиристоров АИ является час-тотой выходного напряжения преобразователя. Этот алгоритм реали-зует устройство управления автономным инвертором (рис. 1.48).

В этом устройстве генератор тактовых импульсов (ГТИ) форми-рует входные импульсы Uвх регулируемой частоты f=var и подаёт их на вход кольцевого шестиканального распределителя импульсов (РИ). С появлением каждого входного импульса логическая «едини-ца» перемещается на последующий выходной канал РИ. Расширитель импульсов (на элементах «ИЛИ» объединяет выходы каждых трёх смежных каналов РИ и, тем самым, формирует импульсы управления ключевыми полупроводниками АИ (U1 -U6) продолжительностью π рад. каждый, сдвинутые в смежных каналах на π/3 рад. (где 2π=1/f).

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

76

Ключевые полупроводники АИ (в соответствии с рис. 1.46 - транзи-сторы IGBТ) будут находиться в проводящем состоянии на интерва-лах существования соответствующих импульсов U1-U6.

Схема АИ, выполненная на транзисторах IGBТ позво-ляет получать на выходе сис-тему трёхфазных напряжений, близких по форме к синусоиде за счёт применения широтно-импульсной модуляции (ШИМ), что поясняется диаграммами (рис. 1.49) и состоит в модуля-ции высокочастотной (несу-щей) составляющей напряже-ния низкочастотной (выход-ной) составляющей. При этом, на протяжении периода вы-ходного напряжения ТВ скваж-ность импульсов напряжения несущей частоты изменяется по синусоидальному закону:

)2sin( В Вm f ϕπγγ += , (1.92)

где γm- глубина модуляции; fВ; φВ - частота и начальная фаза выходно-го напряжения.

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

Рисунок 1.48 – Упрощённая схема управления автономным инверто-ром ПЧ-ПТ

ГТИ

РИ

77

ПЧ-ПТ предыдущих разработок отличаются применением тири-сторных ключей (VS1-VS6) в схеме автономного инвертора (рис. 1.50). В сравнении с транзисторным инвертором это является сущест-венным недостатком, поскольку предусматривает необходимость применения коммутирующих конденсаторов (С1-С6) принудительно-го запирания групп тиристоров в инверторе и силовых диодов (VD1-VD6) для недопущения разряда коммутирующих конденсаторов че-рез силовые цепи статора асинхронного двигателя (нагрузки преобра-зователя). Это усложняет схему преобразователя, повышает её стои-мость, габариты, усложняет проблематику охлаждения силовых по-лупроводниковых приборов, снижает надёжность преобразователя. Поэтому в большинстве своём современные схемы ПЧ-ПТ содержат автономные инверторы на транзисторах IGBТ (в соответствии с рис. 1.46).

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

u2*(t

t

Тн

t

t

Рисунок 1.49 - Двухполярная и однополярная широтно-импульсная модуляциявыходного напряжения автономного инвертора

u2(t

u2(t

Тв

78

Функция торможения асинхронного двигателя (подключенного к выходу ПЧ-ПТ) реализуется замыканием ЭДС этого двигателя на резистор торможения Rт через силовой транзисторный ключ VT7.

Блок измерения осуществляет контроль параметров работы при-вода, обеспечивая необходимые обратные связи и передавая соответ-ствующие информационные сигналы в блок управления (БУ).

1.12 Динамика пуска асинхронного двигателя.

Методы повышения плавности разгона асинхронного двигателя

1.12.1 Динамика пуска асинхронного двигателя В преобладающем большинстве случаев пуск асинхронного

двигателя производят путём непосредственного (контакторного) под-ключения его к питающей сети. Учитывая то, что двигатель начинает свою работу, находясь на неустойчивой механической характеристи-ке, его разгон сопровождается повышением ускорения по мере уве-личения угловой скорости (см. п.1.2, рис. 1.6, б) пока не произойдёт выход двигателя на устойчивую механическую характеристику. Само по себе, это вызывает значительные динамические перегрузки в трансмиссии любого привода, уменьшает её ресурс и сопровождается

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

C1-C3 C4-C6

+ _

Выход ПЧ-ПТ

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

79

рывком при страгивании с места подвижных элементов, что не безо-пасно для обслуживающего персонала.

Однако, контакторное подключение к сети асинхронного двига-теля приводит так же к возникновению в нём электромагнитного пе-реходного процесса, сопровождаемого возникновением апериодиче-ской составляющей магнитного потока (и, соответственно, тока на-магничивания) величина которой определяет начальную величину электромагнитного переходного момента [12]. Это обусловливает воздействие на формирование роторных токов двигателя, что ведёт к рассогласованию между их фактическим значением и величинами, которые они должны иметь при соответствующем скольжении Уста-новившийся режим достигается после нескольких колебаний около положения равновесия после затухания переходных токов.

Таким образом, контакторный пуск асинхронного двигателя

происходит по его динамической механической характеристике 1 (рис. 1.51), отличающейся колебаниями электромагнитного момента двигателя в процессе разгона. Она отображает связь между мгновен-ными значениями момента и скорости двигателя в переходном про-цессе его работы в отличие от статической механической характери-

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

1

2

МН МП М

80

стики 2, которая отображает связь между средними значениями мо-мента и скорости в устойчивых режимах и является геометрическим местом точек равновесия системы «двигатель-нагрузка».

Следует учитывать, что коэффициент затухания переходной со-ставляющей момента увеличивается с увеличением скорости ротора [12]. Наибольшее количество колебаний пиков переходного момента имеет место при неподвижном роторе двигателя и в зоне малых его скоростей.

Таким образом, с целью обеспечения приемлемых условий экс-плуатации электромеханических систем, высокого ресурса трансмис-сий горных машин целесообразно осуществлять управление динами-ческими режимами пуска электроприводов в контексте управления электромагнитными переходными моментами, в частности, путём воздействия на величину свободной составляющей магнитного пото-ка асинхронного двигателя, который возникает в процессе его пуска.

При неизменной величине частоты напряжения сети единствен-ным способом управления током намагничивания и, соответственно, создаваемым им потоком, является воздействие на систему фазных напряжений, которые прикладываются к двигателю. Это может быть реализовано одним из трёх способов. Первый состоит в ограничении напряжения питания двигателя с целью уменьшения установившейся величины магнитного потока и применительно к горным машинам (где возникают значительные моменты сопротивления) является не-приемлемым. Его реализация сопровождается значительным увели-чением продолжительности разгона двигателя (рис. 1.52). Увеличива-ется продолжительность протекания по обмоткам двигателя токов, существенно превышающих номинальную величину.

Такое управление работой двигателя может привести его несо-стоявшемуся пуску в связи с невозможностью преодоления момента сопротивления (в случае питания двигателя напряжением понижен-ной величины в процессе пуска).

Другой способ предусматривает детерминированное подключе-ние к сети обмоток статора двигателя для создания благоприятных начальных электромагнитных условий в момент подключения, обес-печивающих минимальную амплитуду переходного момента. Усло-вием полного устранения переходных моментов является следующее соотношение между начальным потокосцеплением )0(sψ и результи-рующим вектором напряжения su трёхфазной системы:

81

2/)0()0( ss uj−=ψ (1.93)

Параметр su обусловливающий направление потокосцепления

)0(sψ , определяется мгновенными значениями фазных напряжений се-ти и совпадает с их максимумами. Поэтому детерминированное под-ключение асинхронного двигателя к трёхфазной системе должно производиться только при максимуме напряжения соответствующей фазы. Это может быть реализовано посредством трёхфазного тири-сторного коммутатора. На практике вначале подключают две фазы двигателя на линейное напряжение, после чего подключают третью фазу в момент максимума её напряжения. Однако, это не устраняет высокой интенсивности разгона асинхронного двигателя до номи-нальной скорости (рис. 1.53).

В промышленности широкое применение нашёл третий способ управления динамическими режимами асинхронного двигателя (спо-соб плавного пуска), который заключается в снижении (в сравнении с контакторным включением) скорости повышения напряжения пита-ния асинхронного двигателя и, соответственно, тока намагничивания. Его реализация основана на использовании тиристорного регулятора напряжения (ТРН) в силовом присоединении питания двигателя. При

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

М; іs; ωs М; іs; ωs

М; іs; ωs

82

этом, средствами фазового регулирования (изменением величины за-данного угла отпирания тиристоров) изменяют выходное напряжение ТРН (напряжение питания АД), начиная с уменьшенного фиксиро-ванного уровня до номинальной величины по определённому закону в течение фиксированного интервала времени.

1.12.2 Устройство и особенности эксплуатации технических средств плавного пуска

асинхронных двигателей Расширению области применения силовых ТРН для обеспечения

плавности пуска асинхронных двигателей горных машин способству-ет простота силовой схемы регулятора, включая систему охлаждения силовых тиристоров при их размещении во взрывобезопасной обо-лочке устройства Для тех. технологических установок, плавный пуск которых не предусматривает поддержание заданной диаграммы ско-рости при колебаниях момента сопротивления, достаточно примене-ния разомкнутых схем управления ТРН. Этим ещё более упрощается схемотехника средств управления плавным пуском двигателей. Для этого класса технических решений (устройств «soft-start») характер-ной является структура схемы, реализованной в устройстве КУВПП-250М (рис. 1.54) [14].

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

83

Работа устройства начинается включением последовательного

контактора КМ1. При отключенных тиристорах ТРН это сопровожда-ется отсутствием тока и дугообразования в силовой цепи контактора, что существенно увеличивает его ресурс. Как правило, закон измене-ния выходного напряжения ТРН задаётся пользователем в зависимо-сти от особенностей эксплуатации электропривода технологической установки, управляемой от устройства плавного пуска (рис. 1.55) и представляет собой прямую линию. Величина задания стартового вы-ходного напряжения ТРН находится в пределах от 0 до 60% от но-минального. При необходимости пуска установки со значительным моментом сопротивления предусмотрен режим «kick-start». В этом случае на начальном этапе пуска происходит кратковременный, про-

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

ТРН КМ1

КМ2

БЛОК СИНХРОНИЗАЦИИ ДРАЙВЕРЫ

ТИРИСТОРОВ ДАТЧИК ТОКА

ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА БЛОК ПИТА-

НИЯ

ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

УСТРОЙСТВО ВВОДА ДАННЫХ

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ДИСПЛЕЙ

ПУСК / СТОП

А Ц П

84

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

В случае необходимости увеличения продолжительности замед-

ления двигателя в сравнении с его свободным выбегом при отключе-нии, в устройстве «soft-start», предусмотрена функция плавной оста-новки. В этом случае по команде «СТОП» система управления внача-ле полностью открывает тиристоры коммутатора, а затем в заданном диапазоне времени увеличивает угол α отпирания тиристоров, плавно снижая напряжение на выходе ТРН до нуля. После этого отключается последовательный контактор КМ1 (при отсутствии проводящего со-стояния ТРН процесс отключения контактора не сопровождается ду-гообразованием).

Таким образом, в случае применения устройства «soft-start» соз-даётся система «тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель», в которой величина напряжения статора АД может изме-няться в полном диапазоне в соответствии с фазовым принципом управления тиристорами ТРН, создавая, в свою очередь, воздействия на величину электромагнитного момента асинхронного двигателя.

Характерной особенностью относительно эксплуатации АД яв-ляется наличие на клеммах его статора трёхфазной ЭДС вращения

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

Свободный выбег АД

Плавная остановка

Остановка

Напря-жение, %

Пуск Работа Время в секундах

Стартовый импульс 100 %

0

Начальное напряжение

85

рвe , индуктированной полем токов ротора, которая способна суще-ственно влиять на процессы в системе ТРН-АД [15]:

))2()2((3

1rArBrsBsAmрв iiLiiLpe +++=− ω , (1.94)

где р – число пар полюсов АД; si и ri - токи статора и ротора. ЭДС

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

Расчётная схема системы “ТРН-АД” (рис. 1.56) включает источ-

ник питания с фазными напряжениями AU ; BU ; CU , ТРН (VS1-VS6); асинхронный двигатель, в котором: sR ; slL , соответственно, активное сопротивление и индуктивность статора; rR ; rlL - соответственно, ак-тивное сопротивление и индуктивность ротора; mL - индуктивность главного магнитного поля, в расчёте на фазу АД;

Анализ процессов в системе ТРН-АД по методу фиксированных состояний показывает, что фиксированной величине напряжения пи-тания асинхронного двигателя соответствует несколько решений дифференциальных уравнений, определённых в функции ω ш= const. [15].

ψωψ skssss

jdtdiru ++= )/( ;)()/( ψωωψ rшkrrrr

pjdtdiru −++= (1.95.1) ;0ii rsss

LL +=ψ

Рисунок 1.56 – Расчётная схема системы ТРН-АД

евр

евр

евр

86

;ii rrsorLL +=ψ

];[)2/3( 0 ii srmLpLM ×= (1.95.2) ,/ ОПMMdtJd ±=ω

где ru - вектор напряжения ротора; su и ψ s

- векторы напряжения и потокосцепления статора АД, ωш – угловая скорость системы коорди-нат: J и M – соответственно, момент инерции и электромагнитный момент АД, Моп – момент сопротивления АД: Ls и Lr – эквивалентные фазные индуктивности статора и ротора АД, соответственно, Ls = Lsс + L0 и Ls = Lsс + L0.

Фактическому режиму соответствует только одна угловая ско-рость ротора, а именно, та, при которой М = Моп. При условии, когда угол α отпирания тиристоров ТРН превышает нулевое значение (эл. град), а угловая скорость ωш = ω1 близка к номинальной ω2, асин-хронный двигатель находится на устойчивой части своей механиче-ской характеристики. В этом случае магнитный поток машины уменьшен соответственно уменьшению величины питающего напря-жения U(α):

Ф(α) = U(α)/4,44 fωk (1.96)

Постоянство электромагнитного момента (М=Мс=const) при уменьшенном напряжении питания обеспечивается повышением тока АД:

M = k Ф(α) Ir cos φ2, (1.07) где k – конструктивный коэффициент; φ2 – угол между ЭДС враще-ния АД и током его ротора:

22''2 )2()/(//cos fLrsrsr rr πϕ += , (1.98)

где f- частота напряжения сети; s – скольжение ротора АД.

Таким образом, повышенный в сравнении с номинальным ток АД и близкая к номинальной угловая скорость ротора двигателя обу-словливают повышение ЭДС вращения АД. Это, в свою очередь, обу-словливает изменение фактических углов отпирания α и проводимо-

87

сти β тиристоров ТРН, что поясняется диаграммами напряжений (рис. 1.57) [16].

На этом рисунке показа-ны диаграммы изменения ЭДС вращения АД при усло-вии, что сформированный системой управления угол от-пирания силовых тиристоров ТРН αз = 90 эл. град. Диапазон изменения ЭДС вращения от 0,45 до 0,9 от амплитуды но-минального фазного напряже-ния соответствует данным эксплуатации. Таким образом, при увеличении величины ЭДС вращения АД её мгно-венные значения могут пре-высить величины мгновенных значений соответствующих выходных фазных напряже-ний u’A; u’B; u’C выхода ТРН на отдельных интервалах времени в течение периода напряжения.

Так, тиристор, который коммутирует напряжение по-ложительной полярности фазы А, будет открыт только на ин-тервале t2≤ t≤ t5, поскольку на этом интервале времени по-тенциал фазной ЭДС враще-

ния, которая воздействует на его катод, будет оставаться меньшим потенциала анода. Кроме этого, в это же время будут включены тири-сторы, коммутирующие полуволны напряжений противоположного знака фаз В (до момента t4) и С (до момента t6). Благодаря действию ЭДС вращения АД проводящее состояние тиристоров ТРН может быть увеличено до 180 эл. град. при фазовой задержке тока до 120 эл. град. При этом напряжение питания АД достигнет максимальной ве-личины, что обусловит переход двигателя с искусственной на естест-

ωt

ωt

ωt

ωt

u’C

u

u’A

u’B

uC uB uA

t7

t6

t5

t4

t3

αф

ев С

ев В

ев А

βФ

ψ

αз

t2

t1

0

0

0

0

Рисунок 1.57 - Диаграммы напряже-ний системы «ТРН-АД» в процессе автоколебаний при фазовом регули-ровании напряжения

88

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

Экспериментально полученные характеристики автоколебаний

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

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

ев

89

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

При контакторной коммутации неполнофазный режим характе-

ризуется отсутствием присоединения к питающей сети одной фазы асинхронного двигателя. В связи с этим не может быть создан вра-щающий момент, две фазы двигателя обтекаются пусковым током, что может привести к быстрому перегреву и повреждению машины. В отличие от этого, неполнофазный режим в случае неотпирания од-ного тиристора ТРН характеризуется сменяющими друг друга с час-тотой сети состояниями трёхфазного и двухфазного электропитания двигателя. Наибольшую опасность этот процесс представляет на ин-

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

эл. град.

Е в.m

Е в.m

Период автоколебаний

90

тервале пуска. В этом случае двигатель с частотой сети переключает-ся из двигательного режима (точка «А») в режим динамического тор-можения (точка «В»), поскольку в течение полупериода трёхфазного электропитания АД не успевает выйти на достаточно высокую угло-вую скорость ω (рис. 1.60) [8].

Контроль состояния си-

ловых тиристоров VS1; VS2 фазы ТРН может бать осу-ществлён подключением па-раллельно к ним цепей с реа-гирующими элементами (К1; К2) через дополнительные тиристоры VS3; VS4 (рис. 1.61) [17]. Схема предусмат-ривает одновременное вклю-чение тиристоров VS1; VS3

от импульса управления Uу1 и тиристоров VS2; VS4 от импульса управления Uу2. Таким образом, силовой тиристор ТРН в проводящем состоянии будет шунтировать схему соответствующей цепи контроля В случае невключения силового тиристора при налички импульса управления дополнительный тиристор VS3 или VS4 включит соот-ветствующую цеп контроля, что приведёт к срабатыванию реаги-рующего элемента.

VS1

VS2

K2

K1

R2 C2

C1 R1

VS4

VS3

Uу2

Uу1

Рисунок 1.61 – Схема контроля сос-тояния силовых тиристоров VS1 и VS2 в фазе ТРН

Рисунок 1.60 – Диаграммы формирования фазных напряжений вы-хода ТРН при невключении одного из его тиристоров (а) и механи-ческие характеристики асинхронного двигателя (б) в процес-се роз-гона при отсутствии проводимости одного из тиристоров ТРН

0 М

2-фазное питание

ω

3-фазное питание

АВ

ωt

ωt

t1 t2 t3 t4

uA uB uC Uсети

uвых u’A u’B u’C

а б

91

Вопросы для самоконтроля 1. В чём заключаются назначение и структура электропривода? 2. Каковы области применения электродвигателей постоянного и

переменного тока в соответствии с особенностями технологических установок горного предприятия?

3. Каковы функции преобразователей в структуре электроприво-да с учётом особенностей применяемых электродвигателей?

4. Проанализировать основное уравнение электропривода. 5. Каковы характерные признаки рабочего и тормозного режимов

двигателя в контексте соотношения направлений электромагнитного момента и угловой скорости?

6. Дать определение устойчивости механической характеристики электродвигателя. Какие свойства отличают устойчивую и неустой-чивую механические характеристики двигателя?

7. Дать определение переходного процесса, какими факторами определяются параметры переходного процесса, какие виды переход-ных процессов свойственны электроприводам?

8. В чём состоит графоаналитический метод расчёта переходных процессов?

9. С какой целью и каким образом выполняется приведение ста-тических моментов, усилий, моментов инерции в электроприводе?

10. Проанализировать электромеханические свойства двигателей постоянного тока, способы регулирования их угловой скорости?

11. Проанализировать электромеханические свойства асинхрон-ных двигателей?

12. В чём состоит способ регулирования угловой скорости асин-хронного двигателя изменением частоты питающего напряжения? Раскрыть сущность правила М.П. Костенко.

13. В чём состоит реостатный способ регулирования угловой скорости асинхронного двигателя (с фазным ротором)?

14. Каковы особенности влияния на параметры асинхронного двигателя изменения величины его питающего напряжения при по-стоянной частоте?

15. В чём состоит принцип вытеснения роторного тока? Каковы особенности его применения для повышения нагрузочной способно-сти асинхронного двигателя на интервале его разгона?

16. В чём состоит каскадный принцип регулирования угловой скорости асинхронного двигателя (на примере применения схем асинхронных машинно-вентильного и вентильного каскадов)?

92

17. Проанализировать электромеханические свойства синхрон-ных электрических машин?

18. В чём состоит способ генераторного торможения двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей?

19. В чём состоит способ торможения противоключением двига-телей постоянного тока и асинхронных двигателей?

20. В чём состоит способ динамического торможения двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей?

21. В чём состоит способ индукционно-динамического торможе-ния асинхронного двигателя? Раскрыть назначение, устройство и принцип действия аппарата АТЭМ.

22. Раскрыть структуру, и принципы функционирования разомк-нутых и замкнутых одноконтурных систем автоматического управле-ния электроприводами.

23. Раскрыть структуру и принцип функционирования системы подчиненного автоматического регулирования электропривода. При-вести и проанализировать типовые схемные решения, в контексте со-гласования структуры силовой схемы электропривода и функцио-нальных узлов системы автоматического управления.

24. Раскрыть структуру и принцип действия системы импульсно-фазового управления тиристорным регулятором напряжения.

25. Изобразить силовую схему и проанализировать принцип дей-ствия управляемого выпрямителя.

26. Изобразить силовую схему и проанализировать принцип дей-ствия преобразователя частоты со звеном постоянного тока.

27. В чём состоит проблематика пуска асинхронного двигателя путем контакторного включения? Каковы способы повышения плав-ности разгона асинхронного двигателя?

28. Раскрыть структуру и принципы эксплуатации устройств плавного пуска асинхронного двигателя.

29. Каковы причины возникновения неустойчивых состояний системы "тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двига-тель", в чём заключается способ их предотвращения?

30. Чем отличается неполнофазное электропитания асинхронного двигателя в случае невключения тиристора регулятора напряжения и в чём состоит способ контроля состояния силовых тиристоров такого регулятора ?

93

РАЗДЕЛ 2 РЕЖИМЫ РАБОТЫ И РАСЧЁТ МОЩНОСТИ

ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Учебной целью раздела является рассмотрение особенностей типовых режимов работы электродвигателей и освоение принципов расчёта мощности двигателя с учётом особенностей его эксплуа-тации в контексте типовых режимов работы.

2.1 Общая характеристика режимов работы электродвигателей В зависимости от особенностей производственного процесса ра-

бота приводного двигателя технологической установки характеризу-ется определённой продолжительностью, периодичностью, уровнями нагружения, наличием, либо отсутствием режимов торможения, на-гревом и охлаждением двигателей. Эти параметры в своей совокуп-ности обусловливают особенности соответствующего теплового ре-жима работы электродвигателя [18], характерные признаки которого – следующие:

- температура (Θ); максимальная температура ( максΘ ); - продолжительность t выполнения определённой функции (пуск

DtΔ ; работа ptΔ ; торможение FtΔ ; пауза в работе RtΔ ); - продолжительность одного цикла нагружения (Тц); - постоянная времени нагрева двигателя (Т) - еР - электрические потери; - SiP - номинальная мощность двигателя в соответствующем ре-

жиме Si ; - коэффициент цикличной продолжительности включения (КЦТ); - относительная продолжительность включения (ПВ): Распространёнными в угольной промышленности являются сле-

дующие режимы работы электродвигателей: продолжительный (S1); кратковременный (S2); повторно-кратковременный (S3); повторно-кратковременный с учётом воздействия пусковых процессов (S4). Рассмотрим их характерные признаки.

Продолжительный режим работы S1 (рис. 2.1, а) – это работа двигателя при неизменной нагрузке Р и потерях еР на протяжении времени, достаточном для достижения установившейся температуры всеми его частями ( максΘ ).

94

Кратковременный режим работы S2 (рис. 2.1, б) – это работа двигателя при неизменной нагрузке Р в течение времени ptΔ , кото-рое недостаточно для достижения всеми частями двигателя устано-вившейся температуры, после чего двигатель отключают на время, достаточное для охлаждения до температуры, которая не более, чем на 2°С превышает температуру окружающей среды. Мощность дви-гателя определяется по формуле:

TtSSpe

PP Δ−≤

1

112 , (2.1)

При этом необходимо выполнять условие:

н

к

S

SМM

PP 8,0

1

2 ≤ . (2.2)

где 1SP - номинальная мощность двигателя в продолжительном ре-жиме S1; Мк и Мн – соответственно, критический и номинальный мо-менты двигателя.

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

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

а) б)

95

каждый из которых состоит из времени работы ptΔ при постоянной нагрузке, в течение которого двигатель не успевает нагреться до ус-тановившейся температуры, и времени паузы RtΔ , в течение которого двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей сре-ды. Потери при пуске не влияют на температуру частей двигателя.

цpЦТ TtK Δ= . Мощность двигателя определяется по формуле:

100/)1()100/1(1 0

12 ТВKТВPP

oSS −

−+≤

β , (2.3)

где 0β - коэффициент уменьшения теплоотдачи при неработающем двигателе; oK - отношение потерь холостого хода к потерям при на-гружении; ПВ – относительная продолжительность включения:

)/(100 Rpp tttПВ Δ+Δ⋅Δ= , %. (2.4)

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

Рисунок 2.2 – Характеристики режимов работы элект-родвигателя: а – режим S3; б – режим S4

а) б)

96

пуска DtΔ , время работы при постоянной нагрузке ptΔ , в течение ко-торого двигатель не нагревается до установившейся температуры, и время паузы в работе двигателя RtΔ , в течение которого двигатель не успевает охладиться до установившейся температуры. Коэффициент цикличной продолжительности включения составляет:

( ) цDрЦТ TttK Δ+Δ= . Относительная продолжительность включения составляет:

)(100)( RDрDр tttttПВ Δ+Δ+Δ⋅Δ+Δ= , %. (2.5)

Периодический повторно-кратковременный режим з учётом

воздействия пусковых процессов и электрическим торможением S5 - режим, который содержит те же элементы, что и режим S4 с допол-нительным интервалом FtΔ интенсивного электрического торможе-ния (рис. 2.3,а). Коэффициент циклической продолжительности включения равен: цFpDЦТ TtttK /)( Δ+Δ+Δ= . Относительная про-должительность включения составляет:

ПВ = ( ptΔ + DtΔ + FtΔ )·100 / ( ptΔ + DtΔ + FtΔ + RtΔ ), %. (2.6)

Рисунок 2.3 – Характеристики режимов работы эле-ктродвигателя: а – режим S5; б – режим S6

а) б)

97

Перемежающийся режим работы S6 – последовательность идентичных циклов, каждый из которых содержит время работы ptΔ с установившейся нагрузкой Р и время работы в ненагруженном со-стоянии vtΔ , при этом продолжительность данных периодов такова, что температура двигателя не успевает достичь установившегося зна-чения (рис. 2.3, б). Продолжительность одного цикла применительно к этому режиму не должна превышать 10 мин. Показателем режима является относительная продолжительность нагружения:

ПН= ptΔ ·100 / ( ptΔ + vtΔ ), %. (2.7)

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

ПНPP SS /10016 ≤ . (2.8) при условии:

н

к

S

SMM

PP 8,0

1

6 ≤ . (2.9)

Периодический, перемежающийся режим с воздействием пус-

ковых процессов и электрическим торможением S7 – это последова-тельность идентичных циклов, каждый из которых содержит время пуска DtΔ , время работы ptΔ с постоянной нагрузкой и интенсивное электрическое торможение FtΔ (рис. 2.4, а). Режим не содержит пауз (ПВ=100 %); КЦТ=1. В случае, если торможение осуществляется ре-версированием, следует учитывать, что один реверс по тепловому со-стоянию эквивалентен трём пускам двигателя.

Периодический, перемежающийся режим, при периодическом изменении частоты вращения S8 – это последовательность идентич-ных циклов, каждый из которых содержит время разгона DtΔ , работу

1ptΔ с постоянной нагрузкой и частотой вращения (ω1), электриче-ское торможение (на интервале времени 1FtΔ ), работу 2ptΔ при дру-гой частоте вращения (ω2) и нагружении, электрическое торможение

98

и т.д. (рис. 2.4, б). Продолжительность нагружения определяется применительно к каждому конкретному уровню установившейся уг-ловой скорости (%): ПН1= Ttt pD /100)( 1 ×Δ+Δ ; ПН2= = Ttt pT /100)( 32 ×Δ+Δ ; ПН3 = Ttt pT /100)( 21 ×Δ+Δ и др. (где Т – со-вокупная продолжительность существования отдельных режимов на-гружения двигателя). Режим реализуется в многоскоростных дви-гателях с переключением числа пар полюсов.

2.2 Принципы выбора электродвигателя с учётом специфики

типовых режимов роботы Общим принципом, которым следует руководствоваться при

выборе двигателя для электропривода конкретной технологической установки должно быть соответствие номинальной скорости двигате-ля, выбираемого по каталогу, заданной величине, при этом, номи-нальная мощность двигателя должна быть не меньшей, чем расчёт-ная. Следует учитывать режим работы, на который этот двигатель рассчитан. Его номинальная мощность указана в соответствии с кон-кретным режимом работы. В общем случае расчётная мощность дви-гателя Р (кВт) определяется величиной его вращающего момента М

Рисунок 2.4 - Характеристики режимов работы электро-двигателя: а – режим S7; б – режим S8

а) б)

99

(Н·м) на валу и угловой скоростью ω (об/мин.): 310

55,9−⋅

⋅=

ωMP . (2.10)

Однако, каждый из типовых режимов работы имеет определён-

ные особенности относительно расчёта мощности двигателя [3; 18]. Режим S1. При расчете мощности двигателя необходимо вы-

полнить проверку достаточности пускового момента двигателя, по-скольку некоторые виды машин, в приводе которых работают элек-тродвигатели имеют повышенное сопротивление трения при страги-вании с места рабочего органа. Расчётная мощность двигателя опре-деляется энергетическими показателями соответствующей машины с учётом КПД. Например, мощность двигателя для вентилятора или на-соса определяется по формуле:

3)( 10−=

первентвент

QHPηη

, кВт,

3)( 10−⋅⋅⋅=

пернаснас

gHQРηη

γ , кВт,

где Q - производительность вентилятора или насоса, м3/с; Н – расчёт-ная высота подъёма жидкости (м) или депрессия (давление на выхо-де) вентилятора (Па); γ - плотность перекачиваемой жидкости кг/м3; перη , насη , вентη - КПД передачи, насоса или вентилятора.

Более сложен выбор мощности двигателя для привода, рабо-тающего в продолжительном режиме при переменной нагрузке (рис. 2.5). Если выбрать асинхронный двигатель с номинальной мощно-стью, соответствующей максимальной нагрузке, то большую часть времени он будет недогружен. Выбор двигателя в соответствии с уровнями нагрузки 1Р или 2Р , приведёт к его перегреву при уровне нагрузки 3Р . Превышение температуры пропорционально потерям мощности в двигателе. Поэтому для правильного выбора его мощно-сти определяют средние потери срРΔ за рабочий цикл цТ :

∑=

Δ=Δ

m

i ц

iiср T

tPР1

, (2.11)

100

где iPΔ - мощность потерь на i-м интервале; it - продолжительность i-гo интервала; m - число интервалов в цикле.

Нормальным тепловое состояние двигателя будет при условии, что средние потери мощности не превышают величину потерь при его работе с номинальной мощностью:

срном РР Δ≥Δ , (2.12)

где

ном

номномном РР

ηη−

=Δ1 . (2.13)

Такой метод выбора

мощности двигателя явля-ется методом средних по-терь. Его недостаток со-стоит в необходимости иметь кривую зависимо-сти КПД двигателя от на-грузки. Поэтому чаще ис-пользуется метод эквива-лентных (среднеквадрати-ческих) величин. Он со-стоит в следующем. При определении потерь дей-ствующий ток заменяют эквивалентным, который в течение рабочего цикла вызывает такие же потери мощности. Полные потери мощности в двигателе со-

стоят из постоянных постРΔ и переменных перРΔ :

перпост РРР Δ+Δ=Δ . (2.14)

Постоянные потери примерно равны потерям в стали, а пере-

Рисунок 2.5 - Диаграмма нагрузок дви-гателя P=f(t) и диаграмма потерь в дви-гателе ΔP=f(t) при продолжительных переменных нагрузках

101

менные потери определяются выражением: RIРпер

2=Δ , (2.15) где I - ток двигателя; R – активное сопротивление обмоток двигате-ля.

Средняя мощность потерь за цикл определяется формулой:

n

nnср ttt

tРtРtРР+++

Δ++Δ+Δ=Δ

K

K

21

2211 . (2.16)

Подставляя значения отдельных потерь, получаем:

Rttt

tItItIРPn

nnпостср +++

++++Δ=Δ

K

K

21

22

221

21 . (2.17)

Эквивалентный ток:

n

nnэкв ttt

tItItII

++++++

=K

K

21

22

221

21

. (2.18)

Для правильного

выбора двигателя по на-греву необходимо, чтобы

эквном II ≥ . Если фактическая

величина тока имеет вид непрерывной кривой I=f(t), то при определе-нии эквиваоентного тока пользуются методом ку-сочно-линейной аппрок-симации и получают график, состоящий из прямоугольников, треу-гольников и трапеций (рис. 2.6). Для участка,

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

102

имеющего форму треугольника:

3

21I

I экв =′ , (2.19)

для участка, имеющего форму трапеции:

3

2554

24 IIII

I экв++

=′ . (2.20)

Эквивалентное значение тока для графика на рис. 2.6, определя-

ется формулой:

54321

5

2354

24

4243

232

222

211

21

33ttttt

tIIIItItItItItI

I экв ++++

+++++++

= . (2.21)

Если в процессе работы двигателя происходит ухудшение теп-

лоотдачи, связанное с уменьшением частоты вращения, то в приве-денные выше формулы эквивалентных величин вводится коэффици-ент ухудшения теплоотдачи AAii /=β , где iA и А - теплоотдача при

i-й и номинальной частотах вращения. Величина эквI определяется:

∑∑∑=

iii

ii

цэкв tt

tIТ

I)(

)(1 2

β . (2.22)

На практике часто приходится использовать диаграмму момен-

тов нагружения М=f(t), полученную в результате расчёта механиче-ских переходных процессов. Поскольку при постоянном магнитном потоке Ф момент М=СФІ, то справедливо выражение:

n

nnэкв tt

tMtMtMM++

+++=

K

K

1

22

221

21 . (2.23)

103

Для правильно выбранного двигателя необходимо, чтобы

эквном ММ ≥ . Как правило, изменение нагрузки на валу асинхрон-ного двигателя происходит при его работе на естественной характе-ристике, поэтому при выборе мощности двигателя можно пользо-ваться формулой эквивалентной мощности. Выражение для эквива-лентной мощности эквP может быть получено из формулы эквива-лентного момента, если в неё подставить выражение момента

ω/103⋅= PM . При const=ω момент пропорционален мощности, т.е.

ц

n

iii

экв T

tPP

∑== 1

2

. (2.24)

Для правильно выбранного двигателя необходимо, чтобы эквном РР ≥

Рассмотренные методы проверки двигателей по нагреву при пе-ременной нагрузке относятся к методам эквивалентного преобразова-ния диаграмм нагрузки к стандартной для режима S1, на который рассчитан двигатель для продолжительной работы.

В соответствии с методом эквивалентного момента (мощности) предварительный выбор двигателя производится согласно выраже-ний:

∑∑==

≥n

iii

n

iiiзном ttMkМ

11

2 β ; (2.25)

∑∑==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≥

n

iii

n

i і

номiiзном ttPkP

11

2β

ωω , (2.26)

где зk =1,1…1,3 – коэффициент запаса. Режим S2. При выборе двигателя приходится иметь дело с тем,

что продолжительность его фактической работы не совпадает с про-должительностью кратковременной работы, определённой норматив-но (10, 30, 40 и 90 мин.). Кроме этого, нагрузка привода на протяже-нии рабочего периода tp может ступенчато изменяться. В этих случа-ях необходимо рассчитывать эквивалентные величины, которые при-водятся к стандартной величине продолжительности кратковремен-ной работы стрt . , ближайшей к реальному значению pt . При выборе

104

двигателя должны соблюдаться условия:

)()( ..

2

. стpномстp

iiстpэкв tМ

ttM

tM ≤= ∑; (2.27)

)()( ..

2

. стpномстp

iiстpэкв tР

ttР

tР ≤= ∑. (2.28)

где )( .стpэкв tM , )( .стpэкв tР - номинальные значения момента и мощности двигателя, соответствующие продолжительности кратковременной работы стpt . .

Режим S3. Для электроприводов, работающих в режиме S3, це-лесообразно выбирать двигатель, предназначенный для этого режима по следующей методике. По диаграмме нагрузок для продолжитель-ности рабочего цикла Тц≤10 мин. Определяется относительная про-должительность включения:

100ц

pi

Tt

ПВ ∑= %, (2.29)

где tpi - время работы при i-й величине нагрузки за время Тц. Далее определяются приведенные к ближайшему стандартному

значению ПВст=15, 25, 40, 60 % эквивалентные величины мощности Рэкв, и момента Мэкв:

∑∑=

pi

pii

стэкв t

tРТВТВР

2

; (2.30)

∑∑=

pi

pii

стэкв t

tМТВТВМ

2

. (2.31)

При этом должно выполняться условие: ПВстномПВстэкв РР .. ≤ ; ПВстномПВстэкв ММ .. ≤ , где ПВстномР . , ПВстномМ . - номинальные значения

мощности и момента, соответствующие ПВст. При идентичных циклах с постоянной нагрузкой в течение ра-

бочего периода приведенные выше выражения приводятся к виду:

стномПВстном ПВПВРР /. = ; (2.32)

стномПВстном ПВПВММ /. = . (2.33)

105

Имея паспортные данные ( номР , ПВ), по полученным выраже-

ниям можно определить Рр, Мр при заданном ПВ, либо ПВ при за-данных Рном и Мном.

Режимы S4 и S5. Для электроприводов, работающих в режимах S4 и S5, т.е., при частоте включений ≥30 вкл./час, рекомендуется вы-бирать двигатели, предназначенные для режима роботы S3, но с запа-сом по мощности на 30÷50%. Выбор в этом случае усложняется тем, что наперёд заданная точная диаграмма загрузок для этих режимов не может быть рассчитана, поскольку существенную долю потерь со-ставляют потери в переходных процессах, которые могут быть рас-считаны только после выбора двигателя.

Режимы S6 и S7. Для работы в режимах S6 и S7 обычно выби-рают двигатели, предназначенные для работы в режиме S1, но с за-пасом по мощности на одну ступень. Расчёт эквивалентных величин мощности, тока или моментов производится так же, как и для режима S1. Для обоих указанных вариантов расчёта обязательна проверка ус-ловий: номпуск MМ > ; номMМ >max .

Отдельно рассмотрим режим с ударной нагрузкой, когда момент статической нагрузки резко увеличивается с последующим уменьше-нием до момента холостого хода. Этот режим работы двигателя можно отнести к S6. В таком режиме работают двигатели компрессо-ров, поршневых насосов и т.п.

Обычно в приво-дах, работающих с удар-ной нагрузкой на валу, устанавливается махо-вик, который восприни-мает на себя часть на-грузки при резком её увеличении. В период снижения нагрузки, ко-гда скорость электро-привода увеличивается, запас кинетической энергии маховика снова возрастает; двигатель при несёт нагружение

Рисунок 2.7 – График ударной нагрузки дви-гателя с маховиком

106

бóльшее, чем момент сопротивления Мс.0. Принцип общего выбора двигателя и маховика для машин с

ударной нагрузкой состоит в том, что кинетическая энергия маховика в начале нового цикла должна оставаться неизменной, а скорость двигателя – постоянной. В процессе прохождения пиков нагрузки в течение цикла маховик отдаёт энергию на вал (на рис. 2.7 соответст-вует заштрихованным участкам со знаком «-»), а в период холостого хода, т.е.. с увеличением скорости, запасает её (заштрихованные уча-стки со знаком «+»). Энергия, отданная маховиком в течение цикла, должна равняться энергии, которая маховиком вновь накапливается. Если эти условия не соблюдаются, то в последующие периоды ско-рость привода в начале цикла не будет оставаться постоянной, и дви-гатель будет перегружен, либо выбран с завышенной мощностью.

Простейшим является метод общего предварительного выбора двигателя и маховика. Он состоит в том, что из всего рабочего цикла Тц рассматривается только период наибольшего нагружения двигате-ля. На рис. 2.7 он определён интервалом кt . Этот период характери-зуется максимальным статическим моментом Мс.max, который разви-вает двигатель ( сМ ′ ) и начальным моментом двигателя 0.сМ . Для уп-рощения предыдущих расчётов принимают: 0.0. сс ММ ≈′ . Для приве-денного графика (рис. 2.7) учитывая, что при сМ ′ двигатель должен работать с максимальной нагрузкой, можно записать:

( ) MkMk Tt

cTt

с eMeMМ /0.

/max 1 −− ⋅+−=′ , (2.34)

где maxM - максимальный электромагнитный момент двигателя;

номномМ МsJJТ // 0 ⋅⋅== ΣΣ ωβ - электромеханическая постоянная времени.

Момент инерции электропривода:

maxmax.

0.max.0 ln/

MMMMstMJ

c

ccномкном −

−=Σ ω . (2.35)

Момент инерции маховика находится из выражения:

двJJJJ −′−= Σ maxmax , (2.36)

107

где maxJ ′ - приведенный к валу двигателя момент инерции механизма. В дальнейшем, пользуясь параметрами принятого маховика не-

обходимо выполнить проверку правильности выбора двигателя и ма-ховика, для чего строят графики момента и скорости за цикл, анало-гичные рис. 2.7. Критерием правильности выбора являются условия:

Мнц, = Мкц; ωнц, = ωкц,

где Мнц, Мкц, ωнц, ωкц - соответственно, значения момента и скорости в начале и в конце цикла.

Для предварительно выбранного двигателя строится диаграмма нагрузок и проверяются эквМ и эквР , как и для режима S1.

Из приведенного выражения для ΣJ следует, что момент инер-ции маховика может быть уменьшен при использовании двигателя с повышенным скольжением номs .

Для работы в режиме S8, как правило, выбирают двигатель, предназначенный для роботы в режиме S1 с выполнением соответст-вующих этому режиму расчётов. При выборе мощности должен быть введен коэффициент запаса, учитывающий ухудшение условий охла-ждения при снижении скорости, динамические нагрузки при перехо-де от одной ступени скорости к другой.

После выбора двигателя строится уточненная диаграмма нагру-зок, для которой находят эквивалентные за цикл значения тока и мо-мента.

В режиме стохастической нагрузки могут работать асинхрон-ные двигатели добычных и проходческих комбайнов, скребковых конвейеров и т.п. Диаграмма нагружения электропривода в этом слу-чае может быть выражена в виде определённой детерминированной зависимости M(t). Поэтому для оценки нагрева двигателя необходимо пользоваться методами случайных процессов.

Определяющими являются вероятностные характеристики мо-мента сопротивления, от которых зависят аналогичные характери-стики токов двигателя и превыщения температуры его частей. Оценка теплового состояния двигателя по среднему значению нагрузки при-водит к занижению температуры обмоток, и ошибка эта будет тем большей, чем большим является отклонение (дисперсия) момента со-противления от его среднего значения.

Для большинства случайных процессов справедливым является правило «трёх сигм», интерпретация которого относительно тепло-

108

вых процессов при стохастическом нагружении двигателя даёт воз-можность определить наибольшее значение превышения температу-ры его обмотки:

θσθθ 3+Δ=Δ , где θΔ - математическое ожидание превышения температуры об-мотки; θσ - среднеквадратическое отклонение температуры.

Условие допоб θθ Δ<Δ будет критерием правильности выбора электродвигателя при неизвестной корелляционной функции случай-ного процесса нагружения. Проверку правильности выбора двигателя при условии нагрева для значений эквивалентного момента или экви-валентной мощности можно выполнить в соответствии с условиями:

номэкв МM ≤ , номэкв РР ≤ с учётом того, что эквM и эквР определя-ются следующим образом:

22Мэкв МM σ+= ;

22Рэкв РР σ+= ,

где М и Р - математическое ожидание, соответственно, момента

и мощности; Мσ ти Рσ - их середнеквадратические отклонения.

Вопросы для самоконтроля

1. Дать общую характеристику типовым режимам работы электро-двигателей.

2. В чём состоят принципы расчёта мощности двигателя примени-тельно к типовым режимам работы (S1 – S8)?

3. В чём состоят преимущества метода эквивалентных величин при расчёте мощности (момента) двигателя?

4. Что необходимо учитывать при расчёте мощности двигателя в режиме S1 в случае ступенчатого изменения нагрузки?

5. Каково влияние параметра инерционности маховика на резуль-таты расчёта мощности и момента двигателя, работа которого характеризуется циклическим изменением нагрузки?

6. В чём состоит особенность расчёта мощности электродвигателя для работы в режиме стохастической нагрузки?

109

РАЗДЕЛ 3 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ШАХТНЫХ

ПОДЪЁМНЫХ УСТАНОВОК

Учебной целью раздела является рассмотрение особенностей

устройства и функционирования электроприводов шахтных подъём-ных установок, включая электромеханические системы с приводами постоянного и переменного тока, средства автоматического управ-ления электроприводами шахтного подъёма, отдельные функцио-нальные элементы электроприводов. Результатом освоения студен-тами материала раздела является знание принципов построения и функционирования автоматизированных электроприводов шахтно-го клетьевого и скипового подъёмов, одноконцевой откатки, включая технические средства автоматизации управления их режимами ра-боты. 3.1 Общие сведения о системах электропривода шахтного подъёма

Шахтные подъёмные установки предназначены для выполнения

важнейшей транспортной функции на горном предприятии – пере-мещению персонала, горной массы и оборудования по шахтным стволам и наклонным выработкам. В соответствии с этим, различают клетьевые и скиповые установки, а также шахтные подземные подъ-ёмные машины и лебёдки.

Характерной особенностью работы подъёмной установки явля-ется её цикличность. При этом каждый цикл характеризуется перио-дами разгона, движения с постоянной скоростью, замедлением дви-жения и паузой. Кроме этого, диаграмма скорости скиповой подъём-ной установки, предназначенной для транспортирования в стволах горной массы в скипах, должна предусматривать движение подъём-ных сосудов на малой скорости по специальным направляющим (раз-грузочным кривым) к местам автоматической выгрузки и загрузки скипов (рис.3.1; рис.3.2). Таким образом, диаграммы скорости шахт-ной подъёмной установки различают по количеству периодов на ин-тервале цикла: трёхпериодные, либо пятипериодные (характерные для установок клетьевого подъёма) и шестипериодные, либо семипе-риодные (скиповые подъёмные установки).

110

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

111

v

v

t

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

76 2

31

5

4

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

t1 t2 t3

t1 t2 t3 t4 t5

t4

t6

Тц

Тц

б

в

t

а

Рисунок 3.3 – Подъёмная машина барабанного типа 1- двигатель; 2- редуктор; 3 – муфта; 4 – барабан подъёмной машины; 5 - канат; 6 – тормозное устройство; 7 пульт ма-шиниста подъёма

4

6

2

5 3

1

7

112

v; F

v=f(t)

t

F1

F2

F5

F4

F3

F6

Рисунок 2.4 – Диаграммы усилий уравновешен-ной двухконцевойї подъёмной установки (шес-типериодная диаграмма скорости)

0

Величины скоростей и ускорений движения подъёмных сосудов определяются соответствующими нормативами и ограничены проч-ностными свойствами механического оборудования шахтного подъё-ма. Так, максимальная скорость движения подъёмного сосуда в раз-

грузочных кривых (момент t1 на рис. 3.1, б) не должна превышать 1,5 м/с для скипа и 2,5 м/с для опрокидной кле-ти. Ускорение, с ко-торым движется подъёмный сосуд на участке разгона до максимальной скоро-сти, ограничивается величиной в 1,2 м\с2, а скорость входа со-суда в разгрузочные кривые должна быть

не более, чем 1,5 м/с. Скорость дальнейшего движения сосуда в раз-грузочных кривых должна находиться в пределах 0,6 + 0,3 м/с. Мак-симальная скорость движения подъёмного сосуда не должна превы-шать 20 м/с. Эти показатели сопровождаются соответствующими ве-личинами усилий на ободе барабана подъёмной установки (рис. 2.4).

Учитывая неизменность таких составляющих, как расстояние между конечными точками подъёма, ускорение, скорость, замедление подъёмного сосуда, диаграмма скорости подъёма должна быть также неизменной. Препятствием этому является переменный характер мо-мента сопротивления, обусловленный непостоянством массы груза в подъёмном сосуде и другими факторами. Таким образом, примени-тельно к шахтному подъёму более приемлемы способы управления скоростными режимами двигателя, предусматривающие нахождение его на жёстких механических характеристиках.

Электрооборудование шахтных подземных подъёмных машин представлено главным приводом, вспомогательными электроприво-дами и аппаратурой управления и защиты [19]. Важнейшей функцией главного привода подъёма является способность выполнения скоро-стных режимов двигателя (рабочего органа) в соответствии с задан-

113

ными циклическими диаграммами в полном диапазоне скоростей (от нулевого значения до номинальной скорости). Типы двигателей глав-ного подъёма и средства управления обусловлены величинами рабо-чих мощностей, которые должен развивать двигатель, назначением привода и, соответственно, - функциональными свойствами и вели-чиной капиталовложений относительно внедрения технических средств реализации электромеханических систем шахтных подъём-ных установок (табл. 3.1) [20].

Таблица 3.1 – Рекомендованные области применения различных

систем электропривода шахтных подъёмных установок Система

электропривода Мощность привода, кВт

Вид подъёма клетьевой скипо-

вой проход-ческий вспомога-

тельный глав- ный

Асинхронный одно-двигательный

315-1250 + - - + Асинхронный двух-двигательный

630 -2500 + - - + ТП-Д или ПЧ-АД, ре-дукторный, однодви-гательный

315 -1600

- + + + ТП-Д или ПЧ-АД, ре-дукторний, однодвига-тельный

630 - 3200

- + + + ТП-Д или ПЧ-СД, без-редукторный

630 - 6300 - + + -

ПЧ-СД, безредуктор-ный

более, чем 6300

- + + -

Таким образом, в составе электроприводов шахтных подъёмных

установок применяются: - двигатели постоянного тока: системы «генератор – двига-

тель» (Г-Д); «генератор-двигатель» с тиристорным возбудителем; «управляемый выпрямитель (тиристорный преобразователь) – двига-тель» (ТП-Д). Последние являются перспективными;

- асинхронные двигатели: система «преобразователь частоты – двигатель» (ПЧ-АД) с применением двигателей с короткозамкнутым ротором; реостатные и каскадные схемы (применение двигателей с фазным ротором). Последние применяются преимущественно в элек-

114

троприводах подземных подъёмных машин и лебёлок единичной мощности от 160 кВт до 250 кВт, включительно, и аналогичных элек-троприводах других подъёмных установок;

- синхронные частотно-управляемые двигатели: в системах ПЧ-СД в составе электроприводов большой мощности.

К вспомогательным приводам относятся: - привод маслонасоса (Р=2,2 кВт), либо пневмостанции (Р=11

кВт) системы торможения; - приводы насоса и вентилятора системы охлаждения жидкост-

ного реостата (Р=5,5 кВт – каждого двигателя) – в составе асинхрон-ного электропривода с реостатной системой регулирования скорости.

Для коммутации двигателей вспомогательных приводов при-меняются шахтные магнитные пускатели.

3.2 Устройство и особенности функционирования установок шахтного подъёма с электроприводом постоянного тока

Несмотря на общую тенденцию распространения управляемых

электроприводов переменного тока, электропривод постоянного тока остаётся наиболее распространённым типом привода в установках шахтного подъёма большой мощности, поскольку силовые высоко-вольтные полупроводниковые преобразователи частоты для двигате-лей переменного тока мощностью, превышающей 2000 кВт отлича-ются чрезмерно высокой стоимостью и, по сути, являются уникаль-ными.

Обоснование принятого способа регулирования скорости двига-теля постоянного тока шахтного подъёма состоит в сопоставлении известных принципов, а именно, реостатного способа регулирования, и регулирования угловой скорости якоря изменением величины пи-тающего напряжения (рис. 3.5).

Сопоставление механических характеристик двигателя постоян-ного тока при регулировании угловой скорости изменением напряже-ния питания (рис. 3.5,а) и сопротивления цепи якоря (рис. 3,5,б) с учётом колебания момента сопротивления в диапазоне: М1<Мс<М2 показывает, что оба способа позволяют получить заданную величину угловой скорости якоря, в частности, ω2. Однако, в случае увеличе-ния сопротивления цепи якоря двигателя введением дополнительного сопротивления Rд>0, механическая характеристика машины будет те-рять жёсткость, что, в свою очередь, обусловливает существенно

115

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

Выполненные ранее разработки систем электроприводов посто-

янного тока шахтных подъёмов относятся к периоду, когда силовая полупроводниковая техника отсутствовала. Поэтому в качестве ис-точника регулируемого напряжения постоянного тока применялось электромеханическое устройство в составе генератора постоянного тока, дополнительного двигателя (как правило, синхронного двигате-ля (СД) для обеспечения вращения вала генератора постоянного тока, устройства регулирования тока возбуждения генератора. Это техни-ческое решение представляет собой основу системы Г-Д (генератор – двигатель), силовая схема которой приведена на рис. 3.6. В основе

Δω

U1

U2<U1

М1 Мс М2 М

ω ω1

ω2

0

М1 Мс М2 М

ω ω1

ω2

0

Δω

Rд>0

Рисунок 3.5 – Сопоставление механических характеристик двигателя по-стоянного тока при регулировании скорости изменением напряжения пи-тания (а) и сопротивления цепи якоря (б) при колебаниях Мс

а б

116

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

ОВГ ОВД

Г Д СД

Е=сФω

ІвГ = var

-- + -- +

ІвД

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

СКА

Редуктор Д ОУск ОУз BR

ОУоб

ОМУвых

РД

+

_ _

Рисунок 3.7 – Схема применения магнитного усилителя в составе уст-ройства автоматического управления скоростным режимом електроп-ривода подъёма

+

117

Таким образом, при условии поддержания постоянной величины угловой скорости якоря генератора, величину его ЭДС (Е) можно ре-гулировать в широком диапазоне изменением магнитного потока (Ф) – соответствующим изменением тока (ІвГ) в обмотке возбужде-ния(ОВГ).

Управление скоростным режимом приводного двигателя посто-янного тока (Д) состоит в формировании такой величины тока возбу-ждения генератора (Г), которая является функцией величины и знака разности между заданной и фактической скоростями привода подъё-ма. Эта функция может быть реализована различными техническими средствами. Рассмотрим особенности применения магнитного усили-теля в составе устройства автоматического управления скоростным режимом шахтного подъёма (рис. 3.7).

Заданная диаграмма скорости привода шахтной подъёмной ус-тановки формируется электромеханическим устройством на основе применения ретардирующего диска (РД). Диаграмма скорости дви-жения подъёмного сосуда выражена в форме профиля этого диска, который, вращаясь, отклоняет подвижную обмотку сельсинного ко-мандоаппарата (СКА) на пропорциональный угол. Ретардирующий диск выполняет полный оборот за время цикла движения подъёмного сосуда, либо на протяжении интервала разгона привода до номиналь-ной скорости. При этом подвижная, обмотка СКА отклоняется дис-ком (РД) на величину угла, пропорциональную заданной скорости, и на выходной обмотке СКА формируется пропорциональное напряже-ние. Выходной ток СКА (являющийся параметром задания скорости) после выпрямления подаётся на обмотку управления ОУз магнитного усилителя. С целью компенсации отклонения фактической скорости движения от заданной во встречном направлении в обмотку управле-ния ОУск вводится ток с выхода датчика скорости BR.

Для ограничения ускорения и защиты подъёмной машины от перегрузок предусмотрена обратная связь по току двигателя, реали-зованная в качестве пропорционального тока в обмотке управления ОУоб. Ток выходной обмотки ОМУвых является функцией сравнения токов упомянутых обмоток управления и может быть подан в обмот-ку возбуждения генератора (ОВГ) непосредственно, либо через сред-ства усиления (силовой магнитный усилитель; электромашинный усилитель и т.п.) [11].

Принцип применения силового магнитного усилителя поясняет-ся схемой (рис. 3.8) [21]. Электропитание обмотки возбуждения гене-

118

ратора осуществляется от двух силовых трёхфазных магнитных уси-лителей СМУ1 и СМУ2, соединённых по мостовой схеме. Их нагруз-кой является мостовая схема из двух одинаковых ветвей обмотки возбуждения генератора (ОВГ1) и двух балластных сопротивлений. Для уменьшения мощности магнитных усилителей другая обмотка возбуждения генератора (ОВГ2) подключена на его ЭДС.

Электропитание обмоток управления силовых магнитных уси-лителей осуществляется от промежуточных магнитных усилителей МУ1 и МУ2 с обмотками управления: ОМУз – обмотка задания ско-рости; ОМУс – обмотка обратной связи по скорости; ОМУт – обмот-ка токовой отсечки; ОМУст1 и ОМУст2 - обмотки стабилизации по напряжению генератора и току якоря. Сельсинные командоаппараты для управления движением „вперед” (СКАВ) и „назад” (СКАН) при-водятся в движение от профилированных дисков ретардирующего устройства, соединённого через редуктор с валом подъёмной машины и формируют напряжение соответствующее по величине профилю диска, которое подаётся на обмотку ОМУз. По окончании разгона ре-тардирующие диски отключаются электромагнитной муфтой от вала подъёмной машины, что обеспечивает постоянство напряжения зада-ния скорости привода.

Сельсинный командоаппарат СКАР предназначен для управле-ния подъёмной машиной в ручном режиме. В этом случае его исход-ным положением должно быть такое, при котором выходное напря-жение СКАР будет равно нулю. При автоматическом управлении ру-коятка СКАР должна быть установлена в другом крайнем положении, при котором выходное напряжение СКАР – максимально.

119

Несмотря на относительную простоту схемы, система управле-

ния приводом постоянного тока на основе применения силовых маг-нитных усилителей имеет определённые недостатки, в частности, чрезмерно большую инерционность и низкий коэффициент использо-вания усилителей.

Ограничивающим фактором относительно усиления тока вы-ходной обмотки магнитных усилителей являются собственные усили-

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

СКАР СКАВ

СКАН ОМУз

СМУ 2СМУ 1

ОЗ2

ОЗ1 ОВГ

ОМУ ст2 ОМУ ст1

ОМУс ОМУт

ОВГ 1

МУ1

МУ2

120

тельные возможности указанных устройств. Дальнейшее развитие систем электропривода Г-Д обусловлено применением тиристорных (управляемых) выпрямителей для формирования величины тока об-мотки возбуждения генератора. Отличаясь способностью передавать в нагрузку ток, превышающий 1000 А (при токе управления в не-сколько сотен мА), управляемый выпрямитель позволяет формиро-вать величину тока в обмотке возбуждения генератора непосредст-венно в зависимости от параметра управления (например, тока вы-ходной обмотки магнитного усилителя, соответственно рис. 3.7), без каких-либо средств усиления (рис.3.9).

Современные разработки отличаются применением электрон-ных устройств реализации рассмотренной выше функции автоматического управления электропри-водом подъёма. Функцио-нальная схема САУ ско-ростью электропривода системы Г-Д с тиристор-ным возбудителем пред-ставлена на рис. 3.10 [2]. Основным управляющим устройством подъёмной машины является выпол-ненный единым блоком тиристорный регулятор скорости (ТРС), в состав которого входит узел за-дания направления дви-жения и уставок скорости (ЗС) с ограничителем нап-ряжения (ОН) и функцио-нальным преобразовате-лем (ФП) на выходе, за-дающее устройство (УЗ),

усилитель (У) с узлом обратных связей (ОС) и тиристорный возбуди-тель генератора (ТВГ). Генератор (Г) и двигатель (Д) имеют соответ-ствующие обмотки возбуждения (ОВГ и ОВД). На вход ЗС поступает первичный сигнал управления Ucк от сельсинного командоаппарата

TV1

УВ1

УВ2

ОВГ

R1 L1

L2

L3 L4

Рисунок 3. 9 – Упрощённая силовая схема электропривода Г-Д с тиристорным воз-будителем на управляемых выпрямителях УВ1 и УВ2

121

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

Система предусматривает возможность ручного управления подъёмной машиной во время выполнения маневровых операций. В соответствии с этим, параметр Uвх (U’вх) формируется так, чтобы уве-личить зону малых скоростей по траектории перемещения рукоятки управления СКА и этим повысить плавность и точность управления машиной.

Задающее устройство (УЗ) формирует изменяемый в функции времени сигнал UV и выполнено по схеме, которая предусматривает программное ограничение рывка. Сигналы ΔUV, UV, а также сигналы

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

У

ТРС

Г Д

ТВД ТВГ

Путевой командоаппарат

ОС ЗС

УЗ

РТ

РГІ

СКА

ОВГ ОВД

АСЗ

122

обратной связи по скорости привода (с выхода тахогенератора ТГ), других обратных связей (с выхода ОС) суммируются усилителем (У).

Команда на начало движения поступает в ЗС от схемы управле-ния и технологического контроля (СУТ), в которой анализируется информация о ходе процессов разгрузки и загрузки подъёмных сосу-дов. Одновременно СУТ формирует команды на: растормаживание машины – через регулятор давления (РД) и на увеличение возбужде-ния двигателя до номинальной величины в тиристорный возбудитель ТВД, питающий соответствующую обмотку возбуждения ОВД подъ-ёмного двигателя.

Для исключения возможного рывка и кратковременного обрат-ного хода на период страгивания вводится ограничение по заданию скорости и тока якоря двигателя посредством герконового реле гаше-ния интеграторов задатчика (РГИ), при включении которого обеспе-чивается UV=0 независимо от величины сигнала Uвх и уменьшается в узле задания обратных связей (ОС) до заданной величины уставка то-ковой отсечки. Устранение ограничений целесообразно выполнять по скорости двигателя и по времени, поскольку фиксирование начала движения машины является наиболее достоверной информацией о её готовности к дальнейшему увеличению скорости. Для этого исполь-зуется чувствительный усилитель с соответствующим реле на выходе (элементы аппарата токовой защиты подъёмного двигателя (АТЗ). Вход этого усилителя подключен на напряжение тахогенератора (ТГ). Срабатывание выходного реле усилителя происходит при скорости подъёмного сосуда 0,1-0,15 м/с, достижение которой обеспечивает сигнал ΔUV.

Алгоритм управления процессами при остановке подъёмной машины состоит в следующем. Из СУТ подаются команды: в ЗС – на ограничение скорости до нулевого значения; в усилитель АТЗ на по-вышение уставки отключения до 0,5 – 0,7 м/с. В случае, если ско-рость подъёмного сосуда уменьшится до этой величины, реле выхода усилителя АТЗ отключается и это приводит к соответствующим пе-реключениям в СУТ. В результате, ТРС переводится в режим сниже-ния тока якоря, ток возбуждения двигателя существенно уменьшается и, впоследствии машина стопорится механичным тормозом.

123

Дальнейшим шагом на пути совершенствования элек-тропривода постоянного тока стало применение системы «упра-вляемый выпрямитель – двигатель» (рис. 3.11). В соответствии со схемой, функция регулирования напряжения питания цепи якоря приводного двигателя перенесена с генератора постоянного тока (схема Г-Д) на управляемый выпрямитель. Вращение двигателя в обоих направлениях обеспечивается работой соответствующего управляющего выпрямителя (УВ1 или УВ2). Регулирование выход-ного напряжения выпрямителя производится фазовым способом в диапазоне от нуля до номинального, что, в свою очередь, обеспечива-ет достижение любого уровня скорости якоря двигателя в пределах полного скоростного диапазона. Система „тиристорный преобразова-тель – двигатель” (ТП-Д) отличается от схемы Г-Д повышенной на-дёжностью и ресурсом (поскольку из силовой части выведены, как

минимум, два элек-тромеханических уст-ройства – генератор постоянного тока и синхронный двига-тель, а их функции пе-реданы стацио-нарному устройству – управляемому выпря-мителю), повышен-ным быстродействием отработки управлящих команд, поскольку по-стоянная времени УВ и системы его управ-ления является гораз-до меньшей в сравне-нии с соответ-ствующими парамет-рами цепи генератора постоянного тока и устройств управления величиной его ЭДС.

TV1

УВ1

УВ2 Д ОВД

L1 L2

L3 L4

+

Рисунок 3.11 – Упрощённая силовая схема си-стеми «тиристорный преобразователь – двига-тель» (ТП-Д)

124

D2 C2 D1

C1

D1

W1

W3 W2

M

TV1

ТП1 ТП2

ОВД

ОВД

L

M

D2

C1

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

б

C2

125

К недостаткам привода по системе ТП-Д следует отнести созда-ние пульсирующего тока в сети при значительных углах α отпирания тиристоров ТП, что обусловливает уменьшение КПД и увеличение электрических потерь в сети.

Имеет место также существенное влияние на качество напряже-ния сети со стороны бросков реактивной мощности в процессе пуска, повышение падения напряжения в сети при пуске двигателя высокой мощности, генерация высших гармоник в сеть, что является негатив-ным фактором воздействия на другие электропотребители.

Одним из способов устранения этих недостатков является при-менение 12-пульсной схемы выпрямителей (рис. 3.12). Такой элек-тропривод состоит из двух 6-пульсных преобразователей (управляе-мых выпрямителей), один из которых подключен к питающей обмот-ке трансформатора, соединённой по схеме «звезда», а другой – к об-мотке, соединённой по схеме «треугольник». Этим обеспечивается формирование напряжения на нагрузке (якоре двигателя) с фазовым смещением векторов на 300.

Типовым примером применения 12-пульсного преобразования является схема преобразователя серии DCS600 [16]. При использо-вании этого преобразователя якорь приводного двигателя постоянно-го тока может быть подключенным последовательно между двумя мостовыми схемами выпрямителей (рис. 3.12, а), либо быть присое-динённым к ним в соответствии с параллельной конфигурацией с применением Т-образного дросселя (рис. 3.12,б).

3.3 Устройство и особенности функционирования установок шахтного подъёма с частотно-управляемыми двигателями

Принципы управления скоростными параметрами подъёмных

машин путём регулирования частоты питающего напряжения двига-телей реализованы в схемах частотно-управляемых асинхронных электроприводов. Эффективным техническим решением является частотно-управляемый электропривод на основе применения преоб-разователя частоты серии ACS 800. Этот привод имеет мощность 2800 кВт при номинальном линейном напряжении сети 660 В [2; 20].

В приводе применён преобразователь частоты типовой схемы – со звеном постоянного тока, содержащий неуправляемый выпрями-тель, контур постоянного тока и инвертор (рис. 3.13). В зависимости от модификации схема инвертора может быть выполнена на:

126

- управляемых тиристорах (GTO – Gate-Turn Off Thyristor); - биполярных управляемых транзисторах с открытым затвором

(IGBT – Insolated Gate Bipolar Transistor); - интегрированных управляемых тиристорах (IGCT – Integrated

Gate Thyristor). Отличительной особенностью преобразователя ACS 800 являет-

ся функция непосредственного управления моментом двигателя (DTC – Direct Torque Control). Таким образом, регулируемыми параметрами двигателя в процессе работы преобразователя являются магнитный поток и вращающий момент. Это даёт возможность создавать макси-мальный начальный момент и управлять его величиной. В процессе работы магнитный поток асинхронного двигателя автоматически адаптируется к нагрузке. На интервалах формирования полуволн трёхфазной системы напряжений регулируемой частоты на выходе преобразователя группы задействованных силовых полупроводнико-вых пирборов не имеют фиксированной частоты (программы) пере-ключений, т.е., коммутируются не в соответствии с режимом широт-но-импульсной модуляции.

В процессе регулирования скорости СД, как и применительно к АД при частотном регулировании, должны быть выполнены условия постоянства отношения величины напряжения, подаваемого на ста-тор, к его частоте (U/f = const). Однако применение СД отличается постоянством угловой скорости ротора в широком диапазоне нагру-зок, что упрощает стабилизацию скорости привода при колебаниях нагрузки. Это позволяет не применять замкнутые системы автомати-ческого управления скоростным режимом привода и использовать исключительно разомкнутые системы управления скоростью на ос-нове регулирования величины и частоты напряжения на выходе пре-образователя.

Силовая схема электропривода шахтного подъёма системы ПЧ-СД, разработанного ОАО „Электропривод” (Российская Федерация) с использованием оборудования фирмы „SIEMENS”, приведена на рис. 3.15.

127

Электропитание статорных обмоток СД осуществляется от не-

посредственного преобразователя частоты (НПЧ), выполненного по 12-пульсной схеме с присоединением преобразовательных тиристор-ных секций НПЧ1 и НПЧ2 к выходным обмоткам соответствующих трансформаторов TV1 и TV2. Формирование постоянного тока в об-мотке возбуждения СД осуществляется от трансформатора TV3 и управляемого выпрямителя УВ. В процессе работы каждая из обмо-ток статора шинным коммутатором (КШ) подключена к отдельной тиристорной секции.

Непостредственный преобразователь частоты, отличаясь отно-сительно упрощённой схемой, имеет определённые недостатки, а именно:

-ограничение максимального уровня выходной частоты напря-жения;

- низкий коэффициент мощности; - искривление формы напряжения питающей сети из-за генера-

ции широкого спектра гармоник; - необходимость применения дополнительных фильтро-

компенсирующих устройств. Поэтому предпочтение отдаётся применению преобразователей

частоты со звеном постоянного тока с функцией непосредственного управления вращающим моментом двигателя, описанных выше.

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

а

б

М

М

выпрямитель инвертор

Звено постоян-

ного

тока

TV

+

_

128

Общие преимущества электропривода по системе ПЧ-СД – сле-

дующие: - СД отличается значительно меньшей материалоёмкостью

(медь, трансформаторная сталь) в сравнении с машиной постоянного тока;

- отсутствие коллектора – важный фактор обеспечения высо-кой надёжности двигателя и уменьшения трудоёмкости обслужива-ния;

- повышенная перегрузочная способность СД в сравнении с машинами постоянного тока;

- обеспечение диапазона регулирования скорости 100:1 без пульсаций момента;

Инвертор

= ~Фактич. частота вращения

Контроллер заданного потока

Контроллер заданного момента

Компаратор потока

Компаратор момента

Блок комму-таторов

Математич. модель дви-гателя

Сигналы ошибки момент, поток. Сигнал управления

Задание

Вкл. / Откл.

Выпрями-тель

~ =

Контур частоты вращения Контур момента

Ток статора

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

Двигатель

Напряжение

Коммута- торы

129

- более высокий средний КПД привода (0,94 против 0,89 двига-теля постоянного тока);

- возможность интегрального исполнения, когда статор и ротор двигателя располагаются во внутреннем объёме органа навивки кана-та подъёмной машины.

3.4 Устройство и особенности функционирования установок

шахтного подъёма при использовании асинхронных двигателей с фазным ротором

Асинхронный электропривод подъёмных машин на основе при-

менения двигателей с фазным ротором достаточно распространён в горной промышленности. Управление скоростным режимом в этом приводе, как правило, производят, используя реостатный или каскад-ный способы регулирования.

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

CД

БПЧ1 БПЧ2

TV1 TV2

TV3

КВ

130

В практике построения и эксплуатации электроприводов с асин-хронными двигателями с фазным ротором мощностью 250 кВт вклю-чительно распространены жидкостные реостаты (рис. 3.16) с плавным регулированием величин сопротивлений цепи ротора двигателя и, со-ответственно, плавным перемещением его с наклонных на более жё-сткие механические характеристики и с дальнейшим выходом на ес-тественную механическую характеристику путём включения корот-козамыкателя фаз ротора (рис 3.17).

Оборудование жидкостного реостата предусматривает примене-

ние дополнительных вспомогательных электромеханических уст-ройств перемещения ножей реостата, охлаждения электролита (насос и вентилятор, соответственно). Всё это является факторами, сни-жающими показатели надёжности и ресурса электропривода с жидко-стными реостатами.

Реостатный принцип управления с применением жидкостного реостата реализуется в электроприводах шахтных подземных подъ-ёмных машин (одноконцевых откаток) при задании скоростного ре-жима электропривода вручную.

11 12

7 8 9 10

4

5 6

3

2

1

13

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

131

Вариант схемы управления асинхронным электроприводом при

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

Рисунок 3.17 - Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при управлении скоростным режимом при помощи жидко-стного реостата 1 – естественная статичес-кая характеристика двигате-ля; 2 – статическая характе-ристика рабочего органа ма-шины; 3 – пусковая характеристика двигателя0

ω0

М

1 2

3

132

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

Для ограничения движения ножей реостата предусмотрены кон-

цевые выключатели граничных положений SQ1 и SQ2. Контакты концевых выключателей зашунтированы диодами VD1 и VD2, что обеспечивает включение двигателя М2 в противоположном направ-лении вращения при размыкании одного из концевых выключателей.

Обмотка управления ОУ4 предусмотрена для создания гибкой обратной связи по первой производной сигнала рассогласования, чем обеспечиваются благоприятные условия протекания переходных процессов.

Высоковольтные асинхронные двигатели повышенной мощно-сти комплектуются группами дополнительных металлических ротор-ных резисторов, которые соединяются по схеме «звезда», либо «тре-угольник» (рис. 3.19) [2]. В процессе разгона привода отдельные группы дополнительных резисторов шунтируются включением кон-такторов роторной магнитной станции (контакторами ускорения КУ).

МУ

СКА2 СКА1

Р

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

Жидкостный реостат ВЖР-350

В2 В1

133

Подключение двигателя к высоковольтной сети (6000 В) промыш-ленной частоты и их реверсирование выполняется посредством ре-версоров, оборудованных, как правило, вакуумными контакторами.

Реостатный электропривод на основе применения жидкостных реостатов является неэкономичным, морально устаревшим, имеет низкие показатели надёжности и ресурса. Альтернативным решением является применение каскадного способа регулирования скоростного режима привода, который реализуется совокупностью соответст-вующих комплектных устройств управления и основан на примене-нии схемы асинхронного вентильного каскада (АВК).

На рис. 3.20 приведена структурная схема комплектного элек-тропривода шахтной подземной подъёмной установки [7]. Её основ-ными составляющими являются следующие комплектные взрывоза-щищённые устройства управления: комплектное устройство КУ-УВДП-350 для управления цепью статора асинхронного двигателя и коммутации двигателей вспомогательных механизмов, преобразова-тель динамического торможения ВПДТ-400 для создания постоянно-го тока в двух фазах приводного асинхронного двигателя в процессе реализации режима его динамического торможения; преобразова-тельная схема асинхронного вентильного каскада КУУВК-350 для управления величиной скорости привода.

Силовая схема КУУВДП-350 включает в себя блокировочный разъединитель, блоки автоматического выключателя, контактора и короткозамыкателя, а также блоки реверсирующих контакторов, уст-ройства защиты от коротких замыканий (ПМЗ), перегрузки привод-ного двигателя (ТЗП), контроля сопротивления изоляции силового присоединения (БКИ). Эти же блоки защиты и контроля используют-ся в составе схем шахтных пускателей и другой рудничной силовой коммутационной и распределительной аппаратуры [4;5;22].

Взрывобезопасный преобразователь динамического торможения ВПДТ-400 предназначен для возбуждения постоянным током обмо-ток статора асинхронного двигателя в режиме динамического тормо-жения. Его схема содержит трёхфазный управляемый (тиристорный) выпрямитель.

134

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

6000 В

110 В, 50 Гц

380 В

135

В режиме динамического торможения преобразователь функ-

ционирует с малым выходным напряжением (10-30 В постоянного тока), поэтому для повышения коэффициента мощности в устройстве ВПДТ предусмотрено несимметричное управление анодной и катод-ной группами выпрямительного моста. Фазовый угол управления ти-ристорами анодной группы составляет 0 эл. град, а угол управления тиристорами катодной группы может изменяться в диапазоне от 60 до 180 эл. град. [7]. ВПДТ поддерживает ток возбуждения статора дви-гателя в замкнутой системе регулирования (рис. 3.21). На вход конту-ра регулирования тока статора (выходного тока управляемого выпря-мителя) подаётся сигнал, пропорциональный по величине току ротора как результат работы контура регулирования скорости в режиме асинхронного вентильного каскада. Параметром ограничения вели-чины постоянного тока возбуждения является величина номинально-го действующего тока статора двигателя.

Силовая схема устройства КУУВК-350 состоит из подключен-ных последовательно диодного выпрямителя, сглаживающего дрос-селя и тиристорного, ведомого сетью инвертора. Этот инвертор рас-считан для подключения к сети (непосредственно или через транс-форматор) и предназначен для создания регулируемой по величине

ВПДТ- 400

КУУВК- 350

КУУВДП- 350

M BR

Рисунок 3.20 – Структура комплектного взрывозащищённого электропри-вода шахтной подземной подъёмной машины с устройством асинхронного вентильного каскада

136

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

Для управления асинхронным каскадным электроприводом

применена двухконтурная система подчинённого регулирования ско-ростью электропривода с внутренним контуром тока ротора (рис. 3.22). Она выполняет автоматическое поддержание заданной скоро-сти в статических и динамических режимах, ограничение усилий в кинематических узлах механизмов шахтной подземной подъёмной машины.

Применение каскадных схем асинхронного электропривода рас-пространяется и на высоковольтные одно – и двухдвигательные ма-шины шахтного подъёма повышенной мощности. Типовым образцом такого технического решения является комплектный электропривод с подключением асинхронного двигателя по схеме асинхронного тири-сторного каскада (АТК) с микропроцессорной системой управления (рис. 2.23) [2].

BR

M

АВК

ДТР

РТВ

ДТВ

УВ

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

137

АТК отличается от АВК заменой нерегулируемого диодного

выпрямителя в цепи ротора на тиристорный (управляемый) выпрями-тель. Это придаёт электроприводу дополнительные преимущества за счёт управляемости роторного преобразователя (выпрямителя). Регу-лирование частоты вращения ротора двигателя производится измене-нием тока в цепи постоянного тока АТК. Изменение знака момента двигателя осуществляется переводом роторного и сетевого управляе-мых выпрямителей АТК в соответствующие области работы. Так, при условии, если угол управления роторного управляемого выпрямителя не превышает 90 эл. град, обеспечивается двигательный режим рабо-ты асинхронного двигателя. В противном случае роторный управляе-мый выпрямитель переводится в инверторную область, что обуслов-ливает торможение двигателя. Указанная управляемость роторного выпрямителя обеспечивает реверс момента и скорости двигателя без изменения порядка следования фаз напряжения на зажимах его ста-тора.

Микропроцессорная система управления на программном уров-не изменяет порядок формирования импульсов управления роторным выпрямителем в зависимости от выбранного направления вращения ротора. Эта система поддерживает заданный уровень скорости, пара-метры разгона и замедления электропривода подъёмной установки.

ВПДТ

КУУВДП

ДТР

РТ

РС

ТИ

M BR

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

138

Система управления приводом выполнена по принципу подчи-

нённого регулирования параметров (рис. 3.24). Сигнал задания вели-

Микропро-цессорная система

управления

АТК-2

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

8

7

7

4 3

1 2

5

6

9 10

139

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

Преимущества электропривода системы АТК в сравнении с ре-

зисторно-контакторным состоят в следующем: - непрерывная отработка задания скорости (без дополнитель-

ных переключений ); - отсутствие потерь энергии в цепи ротора и металлическом

реостате; отсутствие необходимости в наличии источника тока для тормозного режима;

- упрощение эксплуатации за счёт отсутствия механических элементов настройки.

М

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

РУВ СУВ

BR

РС РТ

TV

BP

ВМ

сеть сеть

140

Привод системы АТК адаптирован к известным резистивно-контакторным схемам, которые могут оставаться в его составе и ис-пользоваться в качестве резервных.

Вопросы для самоконтроля

1. Каковы особенности устройства шахтных подъёмных установок скипового и клетьевого подъёма, требования к диаграммам ско-рости работы электроприводов шахтных подъёмов?

2. Каковы рекомендованные области применения различных сис-тем электропривода шахтных подъёмных установок?

3. Каковы устройство и принцип действия электропривода посто-янного тока по схеме «генератор – двигатель»?

4. Раскрыть особенности применения магнитного усилителя как элемента системы автоматического управления приводом по схеме «генератор – двигатель»?

5. Охарактеризовать особенности системы «генератор – двига-тель» с тиристорным возбудителем. включая средства управле-ния скоростным режимом.

6. Охарактеризовать особенности системы «тиристорный преобра-зователь – двигатель», включая 12-пульсные схемы преобразо-вания.

7. Какова структура и особенности работы частотно-управляемых электроприводов шахтного подъёма с применением асинхрон-ных и синхронных двигателей?

8. Какова структура и особенности работы шахтных подъёмных установок при использовании асинхронных двигателей с фаз-ным ротором и реостатными схемами управления?

9. Охарактеризовать структуру и работу асинхронного каскадного электропривода (АВК) шахтных подъёмных установок.

10. Раскрыть особенности построения и принцип работы схе-мы электропривода «асинхронный тиристорный каскад».

141

РАЗДЕЛ 4 ЭЛЕКТРОПРИВОД КОНВЕЙЕРНОГО ТРАНСПОРТА

Учебной целью раздела является обретение студентами знаний относительно специфики устройства и эксплуатации электропри-водов шахтных ленточных и скребковых конвейеров. Результатом освоения студентами материала раздела являются знания особенно-стей устройства электроприводов шахтных конвейеров, влияния отдельных компонентов привода на его электромеханические свой-ства соответственно условиям эксплуатации, принципам и техниче-ским средствам управления плавным пуском конвейеров; перспектив-ных направлений совершенствования электроприводов шахтного конвейерного транспорта.

4.1 Особенности устройства и эксплуатации

ленточных конвейеров

Одними из наиболее распространённых средств транспортиро-вания горной массы являются ленточные конвейеры (ЛК). Как прави-ло, они работают в продолжительном режиме и относятся к транс-портным установкам непрерывного действия. Шахтные ленточные конвейеры в соответствии с производительностью, местом размеще-ния делят на магистральные и участковые. В зависимости от направ-ления транспортирования горной массы различают конвейеры уклон-ные (транспортирование с нижних горизонтов на верхние), бремсбер-говые (транспортирование с верхних горизонтов на нижние) и квер-шлаговые (транспортирование по горизонтальным и малонаклонным горным выработкам). Характер трассы существенно сказывается на величинах тяговых усилий (F) в ЛК, которые, в свою очередь, обу-словливают величину расчётной мощности (P) двигателя:

P= kз Fv10-3/ηр, (4.1)

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

142

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

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

Fп.в. = (qст+qрп)Lkоп, (4.1)

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

б

V

F а

3

2 1

4

G

F V

G

143

F2 =F1 +Fп.в. , (4.2)

F3 =F2kб , (4.3)

F4 = Fнаб =F3 +Fг.в. = F3 +(qст+qрв+qв)Lkоп, (3.4)

где qст – вес 1 м конвейерной ленты; qрп - qрв – вес вращающихся час-тей роликов, соответственно, порожней и гружёной ветвей ленты; qв – вес груза, находящегося на 1 м. ленты конвейера; L – длина рабочей ветви конвейера (м); kоп – коэффициент сопротивления движению на прямолинейном участке.

В соответствии с уравнением Л. Эйлера, условием исключения проскальзывания ленты относительно барабана конвейера является:

F4 = Fнаб =Fзб еμα, (4.5)

где μ - коэффициент сцепления между лентой и барабаном; α – угол охвата барабана лентой (град.).

Для конкретного конвейера максимальное соотношение пара-метров Fнаб и Fсб и их величины, как правило, регламентируются. В общем случае, с учётом фактического угла β наклона конвейера в со-ответствии с условиями расположения в горной выработке сила со-противления движению находится из выражения [23; 25]:

Fоп= L ( kопcos β + sin β) Σq, (4.6)

где Σq - общая линейная нагрузка на 1 м длины конвейера. Величина тягового усилия находится в зависимости от произво-

дительности и длины конвейера. Поэтому для конвейеров значитель-ной протяжённости не целесообразно применение одной приводной станции, поскольку это приведёт к повышению усилия в приводном барабане, что предопределит необходимость применения более тяжё-лой ленты, увеличения мощности привода. Эта проблема решается путём использования промежуточных электроприводов, распреде-лённых вдоль конвейера (рис. 4.1,б).

Электроприводы всех типов ленточных конвейеров оснащены асинхронными двигателями. Участковые и некоторые типы магист-ральных конвейеров оснащаются асинхронными двигателями с ко-роткозамкнутым ротором, остальная часть магистральных конвейе-

144

ров с приводами единичной мощности 160 ÷ 250 кВт и более, как правило, оснащена двигателями з фазным ротором. В соответствии с типом конвейера применяют различные силовые электрические уст-ройства для обеспечения плавности пуска привода. Бремсберговые конвейеры, кроме этого, требуют применения устройств управления торможением асинхронных двигателей привода. Наибольшее распро-странение получили устройства индукционно-динамического тормо-жения асинхронных двигателей.

Основным рабочим тяговым органом ленточного конвейера рис. 4.2. является резинотканевая, либо резино-троссовая лента. Длина конвейера может достигать нескольких сотен метров. В условиях шахты функционируют многокилометровые конвейерные линии из нескольких последовательно расположенных конвейеров.

Привод ленточного конвейера состоит из асинхронного двигате-ля (двигателей), редуктора, одного или нескольких приводных бара-банов в соответствии с кинематической схемой их обводки (рис. 4.3, а), соединительных муфт, отклоняющих барабанов, тормоза и стопо-ра (на наклонных конвейерах). Тяговый орган (лента) конвейеров с барабанным приводом перемещается по роликоопорам (рис. 4.3, б). Двигатель привода располагается перпендикулярно, либо параллель-но (рис. 4.4) продольной оси конвейера.

Наиболее простые – однобарабанные приводы применяют, пре-имущественно при небольшой требуемой мощности привода, при вы-соком коэффициенте сцепления ленты с барабаном (при использова-нии резиновой футеровки, в условиях сухой, незагрязнённой атмо-сферы и т.п.), а также в некоторых случаях на наклонных конвейерах, конструкция которых обеспечивает повышенное натяжение ленты в точке схода с барабана.

Наряду с ленточными, в составе поверхностных технологиче-ских комплексов применяют канатно-ленточные конвейеры, отли-чающиеся значительной (до нескольких километров) протяжённо-стью (рис. 4.5) [27]. Принцип транспортирования материала канатно-ленточными конвейерами (КЛК) предусматривает разделение транс-портной и приводной функции между лентой и канатами. Это обес-печивает преимущества при эксплуатации, даёт широкий выбор аль-тернативных вариантов при проектировании. Трасса конвейера может иметь горизонтальные и вертикальные повороты с малыми радиусами закругления.

145

Рисунок

4.2

– Ти

повая конструкцм

я шахтного ленточного

телескопического конвейера

3Л12

00КСП

[26

] 1

– разгрузочная

головка

; 2 –

привод;

3 –

роликоопоры

; 4 –

лента

; 5 –

натяж

ной блок

1

2

4

3

5

146

а

б

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

Рисунок 4.3 - Варианты схем обводки барабанов (а) и конс-трукция роликоопор (б) шах-тных ленточных конвейеров

б

147

Лента

Канаты

Ролики

Рисунок 4.6 – Принцип транспортирования материалу канатно-ленточным конвейером

Сопоставляя ленточный конвейер с канатно-ленточным (рис.4.5), можно выделить ряд особенностей:

- меньшая металлоёмкость конструкций – расстояние между ма-гистральными опорами КЛК в 2 – 3 раза большее, чем в ленточном конвейере;

- меньшее количество вращающихся элементов – количество роликоопор КЛК на единицу длины в 2 – 3 раза меньше, чем у лен-точного конвейера;

- меньшее количество стыковочных узлов на канатно-ленточном конвейере чем на ленточном.

Рисунок 4.5 – Сравнение кана-тно-ленточного конвейера с ленточным

Ленточный конвейер

Канатно-ленточный конвейер

148

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

К другим положительным особенностям КЛК следует отнести

отсутствие трения между роликоопорами и лентой; меньшие переме-щения материала на ленте при транспортировании; увеличение до-пустимой скорости транспортирования. В результате, в процессе экс-плуатации уменьшается износ ленты и энергопотребление.

Другая важная отличительная особенность проявляется при вы-полнении поворотных участков в горизонтальной плоскости (рис. 4.7). Конструкция КЛК предполагает устранение смещения на кри-вых горизонтального радиуса, что не влияет на производительность конвейера. В ленточных конвейерах эффективность загрузки умень-шается вследствие смещения одной стороны ленты вверх, обуслов-ленного различием в натяжении на разных сторонах ленты.

В соответствии с условиями эксплуатации КЛК могут иметь кроме главного электропривода дополнительно промежуточный. Пе-редача тягового усилия на приводные канаты производится через со-ответствующие шкивы, приводимые в движение асинхронными дви-гателями (рис. 4.8; рис. 4.9).

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

а б

149

Рисунок 4.8 – Главный привод канатно-ленточного конвейера

канат

направляющие шкивы

приводной шкив

натяжной шкив отклоняющие шкиви

двигатель

4 5 6 7

2 1

1 3

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

150

4.2 Применение тиристорных регуляторов напряжения в устройствах управления пусковыми режимами асинхронных

электроприводов ленточных конвейеров

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, благода-ря приемлемым эксплуатационным характеристикам (продолжитель-ный ресурс, относительно низкая стоимость, простота обслуживания) нашли широкое применение в системах электроприводов шахтных участковых и многих типов магистральных ленточных конвейеров. Однако, использование такого двигателя в электроприводе ленточно-го конвейера обостряет проблематику его пуска. Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором путём непосредственного (контакторного) подключения к питающей сети отличается работой этой электрической машины на неустойчивой части механической характеристики с последующим переходом на устойчивую (рабочую) характеристику. При этих условиях скоростной режим ротора двига-теля определяется возрастающим его ускорением в начале пуска до прохождения точки критического скольжения. Такое интенсивное ус-корение ротора двигателя и, соответственно, приводного барабана конвейера создаёт неблагоприятные условия для эксплуатации кон-вейерной ленты. Так, наличие упругого звена, каким является кон-вейерная лента, при интенсивном разгоне приводного барабана ведёт к появлению упругих волн деформации, значительных, многократно повторяемых динамических перегрузок в тяговом органе в процессе пуска конвейера [28]. До 1990-х годов ленточные конвейеры с асин-хронным приводом (АД с короткозамкнутым ротором), производи-мые в СССР, не комплектовались какими-либо устройствами плавно-го пуска. Упомянутые выше процессы обусловливали частые порывы конвейерной ленты на интервале пуска привода (рис. 4.10), поскольку интенсивный разгон приводного барабана приводил к первоначаль-ному натяжению набегающей ветви ленты при ослаблении сбегаю-щей и создавал предпосылки для возникновения значительных коле-баний растягивающих усилий в ленте.

Для устранения этого недостатка применяют средства силовой преобразовательной техники для управления пуском асинхронного двигателя. Однако, техническое противоречие состоит в нецелесооб-разности применения преобразователя частоты в качестве устройства плавного пуска в святи со сложностью и высокой стоимостью систе-мы охлаждения большого количества силовых полупроводников

151

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

Данный вывод следует из формулы:

( )⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡++⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅⋅ω

⋅⋅=

2'21

2'2

11

'2

2ф1

эм

xxS

RRS

RUmM , ( 4.1 )

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

0

Р Vб

1c

0

0

0 Sсб1

Sсб2

Vсб2Vсб1

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

152

активное и индуктивное сопротивление ротора; s – скольжение рото-ра АД.

Таким образом, этот процесс регулирования параметров асин-хронного двигателя может быть представлен совокупностью его ис-кусственных механических характеристик (рис. 1.17).

Ленточный конвейер – машина, эксплуатация кото-рой связана со значитель-ным диапазоном изменения момента сопротивления в зависимости от уровня за-груженности горной мас-сой. Эта особенность пре-пятствует применению ра-зомкнутой системы управ-ления тиристорами регуля-тора з заранее заданным за-коном изменения его вы-ходного напряжения в слу-

чае необходимости создания продолжительных (более 3 с.) интерва-лов разгона привода, поскольку при колебаниях момента сопротивле-ния подвижных элементов конвейера не будет обеспечена стабиль-ность диаграммы скорости.

Поэтому приемлемой является замкнутая по параметру скорости привода система автоматического управления процессом пуска, кото-рая реализована в тиристорном аппарате АПМ-1 (разработка Дон-НТУ и НИИ «Автоматгормаш», г. Донецк) управления пуском элек-тропривода горной машины (рис. 4.13) [10; 29].

В схеме АПМ-1 реализован принцип коррекции момента асин-хронного двигателя путём изменения величины питающего напряже-ния промышленной частоты в зависимости от величины и знака рас-согласования между заданной (блок ЗС) и фактической (блок ДС) скоростью тягового органа конвейера. Скорость реакции на рассо-гласование скоростных параметров должна быть обеспечена быстро-действием датчика скорости, который устанавливается в редукторе конвейера и формирует импульсный сигнал, частота которого опре-деляется частотой вращения первой шестерни редуктора. Аппарат позволяет обеспечить управляемый пуск асинхронного электропри-вода ленточного конвейера продолжительностью до 12 с и, кроме

Рисунок 4.11 – Типовяа схема подклю-чения ТРН к статору асинхронного дви-гателя

153

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

Применение контактора КМ в схеме АПМ-1 позволяет отклю-

чать тиристоры ТРН после завершения разгона конвейера и в даль-нейшем осуществлять электропитание двигателя конвейера через этот контактор. Это способствует нормализации теплового режима тиристоров в условиях размещения в рудничном взрывобезопасном корпусе (рис. 4.14).

Сопоставление осциллограмм контакторного (рис. 4.10) и управляемого (рис. 4.15) пуска привода конвейера [28] показывает, что непосредственное подключение асинхронного двигателя к сети сопровождается значительными колебаниями растягивающих усилий (Sсб) в сбегающей ветви конвейерной ленты, резкими перепадами её скорости (Vсб) - от – 0,27 м/с (замедление) до + 0,6 м/с (ускорение) при величине ускорения 0,71 м/с2. Растягивающие усилия в сбегаю-щей ветви ленты превышают в 1,75-2,1 раза усилия установившегося

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

154

режима при номинальной нагрузке конвейера. Управляемый пуск конвейера сопровождается ускорением ленты: 0,173 м/с2. Прираще-ние растягивающего усилия в сбегающей ветви ленты отличается ма-лой интенсивностью.

Ограничительным фактором при применении аппарата АПМ-1

является повышенная величина потребляемого тока на интервале раз-гона двигателя. Поэтому в схеме АПМ-1 введены: ограничения на ко-личество повторных пусков привода; фиксированный интервал меж-ду двумя следующими один за другим пусками.

КМ

ДТ ДТ БЗ

ВРБ СИФУ БАУ

БДТ

БС

Рисунок 4.13 – Структурная схема аппарата АПМ-1: ТРН – тиристорный регулятор напряжения; КМ – шунтирующий ко-нтактор; ДТ, ДС - соответственно, датчики тока и скорости; ЗС – за-датчик скоростного режима разгона привода; БС; БЗ – , блоки синх-ронизации и защит; СИФУ - система импульсно-фазового управле-ния; ВРБ – выходной усилительно-развязывающий блок; БАУ; БДТ – соответственно, блоки автоматического управления и индукцион-но-динамического торможения двигателя привода конвейера

ЗС ДС ТРН

VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6

VS7

155

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

а б

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

Р Vб

1c

0 0

0

0 0

Vсб2

Sсб2 Vсб1 Sсб1

156

Применение устройств плавного пуска электроприводов лен-точных конвейеров целиком согласуется с алгоритмом работы из-вестных систем управления шахтными конвейерными линиями, та-ких, как АУК-1М; АУК-2М; САУКЛ; APD-1 и т.п. [9;30;31], посколь-ку продолжительность плавного разгона привода ленточного конвей-ера не превышает задержки времени на срабатывание защиты от про-буксовки конвейерной ленты.

Если в соответствии с технологией ведения работ отсутствуют жёсткие требования относительно выполнения заданной диаграммы скорости разгона приводного двигателя, то в качестве средства управления плавным пуском может быть применено устройство, вы-полняющее функцию «soft-start», содержащее разомкнутую систему управления величиной выходного напряжения промышленной часто-ты тиристорного регулятора (аппараты КУВПП-250М (рис. 4.16) [14]; УВППД-315 и т.п. В процессе разгона двигатель определённое время находится под. действием сниженного напряжения и развивает уменьшенный электромагнитный момент.

Этим обусловлены низкий динамический момент привода и по-вышенная продолжительность работы двигателя на малых угловых скоростях (рис. 4.17). В течение этого времени двигатель потребляет повышенный ток, что является ограничением относительно продол-жительности и числа последовательных (повторяющихся) пусков двигателя. Другим ограничением является невозможность системы «soft-start» обеспечить постоянство диаграммы скорости при разгоне двигателя в случае колебаний момента сопротивления привода. По-этому приемлемой следует считать продолжительность плавного пуска асинхронного двигателя от системы «soft-start», не превышаю-щую 3-5 с.

4.3 Устройство и особенности эксплуатации асинхронных электроприводов конвейеров с реостатными схемами

управления Отдельные типы магистральных ленточных конвейеров отлича-

ются значительной протяжённостью (несколько сотен метров) и ши-риной ленты (1200 мм). Это обусловливает высокую упругость тяго-вого органа и чрезмерно большие динамические перегрузки в элемен-тах привода и, непосредственно, в самой ленте в случае ускоренного разгона приводного барабана. Условием безаварийной эксплуатации

157

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

В основу этого способа положен эффект увеличения критиче-ского скольжения асинхронного двигателя при неизменной величине

ПУСК / СТОП

КМ2

КМ1

ДС

ДС

ТРН

а

б

Рисунок 4.16 – Упрощённая структурная схема (а) и общий вид (б) устройства пла-вного пуска «soft-start» типа КУВПП-250 УХЛ5: ДС – датчики токау, КМ – контакторы; БКЗ – блок комплекс-ной защиты; МБУ – миікропроцессорный блок управления; ТРН – тиристорный ре-гулятор напряжения

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

І ω

0

t

158

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

Схемотехника привода ленточного конвейера с реостатным

управлением в принципе не отличается от схемотехники аналогично-го привода одноконцевой откатки и основана на использовании в це-пи ротора асинхронного двигателя ящиков сопротивлений взрывобе-

159

зопасных (ЯСВ), последовательно соединённых с ножами жидкост-ных реостатов серии ВЖР (рис. 4.18).

Программа плавного пуска электропривода конвейера выполня-ется соответствующей станцией управления, контакторы которой подключают к сети статор приводного двигателя, коммутируют тор-мозные электромагниты и электромагниты храпового тормоза, под-ключают дополнительные асинхронные двигатели привода ножей реостата, насоса и вентилятора системы охлаждения электролита ВЖР [9;11;24]. По окончании заглубления ножей ВЖР в электролит жидкостный реостат выводится из работы включением короткозамы-кателя К1-К3, которым комплектуется ЯСВ. При этом, резисторы ЯСВ будут подключены к цепи ротора АД, обеспечивая смягчение его механической характеристики и повышая равномерность распре-деления нагрузки между двигателями конвейера в случае применения многодвигательного привода. При необходимости может быть при-менён отдельный короткозамыкатель (серии БКЗВ), например, в слу-чае необходимости перевода асинхронного двигателя на ЕМХ путём замыкания между собой внешних выводов обмотки ротора.

Управление приводом реостата осуществляется без обратной связи по скорости. Отличаясь простотой реализации, такая система управления не позволяет стабилизировать диаграмму скорости разго-на подвижных элементов привода при колебаниях момента сопротив-ления рабочего органа конвейера.

Рассмотренный способ реостатного пуска шахтного ленточного конвейера относится к энергоёмким (энергия скольжения ротора АД расходуется на нагрев дополнительных активных сопротивлений це-пи ротора). Кроме этого, применение электромеханических и контак-торных устройств для управления элементами ВЖР – фактор сущест-венного снижения надёжности электропривода в целом. Специфиче-ские особенности проявления горного давления в шахте обусловли-вают необходимость дорогостоящего бетонирования специальной камеры для размещения ВЖР и, в частности, горизонтальной пло-щадки для вертикального размещения бака ножей реостатов. Сам электролит – агрессивное вещество и в процессе использования по-вреждает поверхность подвижных ножей, изменяя параметры допол-нительного активного сопротивления цепи ротора АД. Это обуслов-ливает нестабильность диаграммы скорости привода и асимметрию фазных токов двигателя. К асимметрии фазных токов АД может при-вести неодинаковость величин отдельных дополнительных сопротив-

160

лений цепи ротора при подключении последних к фазам ротора дви-гателя, что объясняется естественным разбросом параметров разных резисторов одной и той же номинальной величины сопротивления, наличием сопротивлений болтовых соединений кабелей (шин) при-соединения и т.п.

Более функциональной является схема устройства УПТФ (про-

изводства АО «Estel-plus», Эстония) для управления плавным пуском асинхронного электропривода ленточного конвейера технологическо-го комплекса поверхности (рис. 4.20) [24;32]. Применение общей сборки роторных резисторов R1-R4 на выходе управляемого выпря-мителя VS1 – VS6 позволяет поддерживать симметрию фазных ро-торных токов двигателя, несмотря на разброс параметров самих рези-сторов и величины сопротивлений элементов их присоединения. Шунтирование этих резисторов поэтапной коммутацией тиристорных ключей VS7; VS8; VS9 по мере разгона двигателя отличается высо-ким быстродействием и не сопровождается электрическими дугами. Использование силовых полупроводниковых элементов в качестве

Тормозные электро-магниты

Электромагниты храпового тормо-за или устройства натяжения ленты

Асинхронные двига-тели насоса и венти-лятора системы охлаждения электролита ВЖР

Асинхронный двигатель привода перемещения ножей ВЖР

СУВ-1Л-100 (СУВ-2Л-120)

250 А

10 А

25 А

25 А реверс

25 А

25 А

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

ЯСВ К1- К3 ВЖР

161

коммутационных (ключей) вместо подвижных контакторных элемен-тов существенно повышает надёжность устройства.

На интервалах перехода на более жёсткие статические механи-

ческие характеристики по мере повышения угловой скорости ротора двигателя (в направлении 1 – 2 – ... – 5, рис. 4.21) стабилизация за-данной диаграммы нарастания скорости привода обеспечивается фа-зовым регулированием тиристоров выпрямителя (VS1-VS6). Этим корректируется скорость привода путём соответствующего измене-ния электромагнитного момента двигателя регулированием величины его роторного тока.

Характерной особенностью в отношении применения принципа фазового управления в цепи тиристорного регулирования величины роторного тока асинхронного двигателя является нестабильность час-тоты трёхфазной роторной ЭДС. В процессе пуска двигателя эта час-тота уменьшается от промышленной (50 Гц) до 1,5 Гц – 2,5 Гц (в за-висимости от номинального скольжения ротора двигателя). В связи с этим, становится невозможным использование схем СИФУ, рассчи-танных на неизменную частоту синхронизирующего сигнала. Такое техническое противоречие может быть устранено применением спе-

Блок синхрони-зации и защиты ротора

К внешним цепям автоматики и защи-

ты двигателя

N 3 х 380 В (3 х 220 В)

Блок пи-тания

Блок регули-рования, ре-ле, автомати-ки

R1-R4

КМ

К ротору АД

VS7

VS9

VS8

VS1-VS6

ТА

ТА

Блок управле-ния и логики

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

162

циальной схемы СИФУ, адаптированной к соответствующему диапа-зону изменения частоты входного (синхронизирующего) напряжения.

На рис 4.22 представлена диаграмма напряжений одного канала

шестиканальной СИФУ, предназначенной для управления тиристор-ным регулятором роторного тока [8; 33]. Формирование стабильного отношения угла α (фазовой задержки на включение тиристоров вы-прямителя в цепи ротора АД) к величине периода ЭДС ротора ТЭДС соответствующей фазы (Ur) в данном случае обеспечивается путём сравнения сигнала (U3), пропорционального по величине продолжи-тельности периода Ur с сигналом (U4), величина которого пропорцио-нальна продолжительности полуволны соответствующего периода Ur. Регулирование величины заданного угла α обеспечивается изменени-ем наклона импульса U3. Указанная функция стабилизации отноше-ния α/ТЭДС может быть выполнена и другими способами, однако она необходима для осуществления процесса фазового регулирования ро-торного тока двигателя.

Опыт экспериментальных исследований свидетельствует, что в отношении электроприводов шахтных ленточных конвейеров силовая схема (рис. 4.21) может быть существенно упрощена, поскольку дос-таточной является функция регулирования роторного тока двигателя при использовании одного токоограничивающего резистора в общей цепи роторного тока. Этим требованиям отвечает структурная схема

Рисунок 4.21 – Пусковая диагра-мма электропривода при исполь-зовании устройства УПТФ: 1, 2,., 5 – статические механичес-кие характеристики; a-b-c-d-…-m-n-ωc – динамическая характеристика

ωc

163

(рис. 4.23). Блок управления режимами (БУР) осуществляет подклю-чение двигателя к сети (контактором КМ1), перевод двигателя на ес-тественную механическую характеристику (включением короткоза-мыкателя БКЗВ) после окончания этапа разгона и формирует сигнал разрешения на работу блока задания диаграммы скорости разгона двигателя (БЗС).

Структура системы автоматического управления разгоном пре-дусматривает применение одноконтурной схемы с обратной связью по скорости привода, в которой сигнал рассогласования между фак-тическим и заданным параметром скорости является фактором воз-действия на формирователь опорного напряжения (ФОН), которое должно подаваться на СИФУ и определять соответствующую вели-чину заданного угла α. С целью стабилизации отношения α/ТЭДС вы-ходное напряжение ФОН (с учётом особенностей схемы СИФУ) мо-жет корректироваться в соответствии с величиной угловой скорости двигателя (что является косвенным показателем продолжительности периода роторного тока ТЭДС).

Кроме реостатных, в электроприводах рассмотренных выше конвейеров могут быть так же применены устройства асинхронного вентильного каскада для управления скоростным режимом электро-

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

α α

Ur ТЭДС

164

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

4.4 Устройство и особенности эксплуатации электроприводов

скребковых конвейеров

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

БУР КМ1

СИФУ

R1 ТРРТ БКЗВ

ФОН БЗС

БС ДС

Приводной блок

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

165

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

Эксплуатация скребкового конвейера отличается наличием зна-

чительных моментов сопротивления, изменяющихся в широком диа-пазоне, которые существенно увеличиваются в начале движения (при страгивании с места) скребковой цепи. Коэффициент трения, обу-словливающий величину момента сопротивления тягового органа (kт.) зависит от конструкции конвейера, вида транспортируемого груза, его влажности, крупности и является функцией скорости движения (v) скребковой цепи: kт. = 0,62-0,2v2 + 0,07v3 [13].

Одноприводной скребковый конвейер можно представить как систему с двумя сосредо-точенными массами: мас-са m1 – приведенная масса тягового органа и присое-динённого к нему груза; m2 – приведенная масса

ротора двигателя и элементов передачи (рис. 4.25) [25]. Пуск скребкового конвейера можно условно розделить на три

этапа. На первом этапе происходит ускоренное движение ротора двигателя и элементов трансмиссии за счёт зазоров в передаче. Угло-

Рисунок 4.25– Расчётная схема процесса пуска скребкового конвейера

1

3

4 6

3

2 1 5

7

Рисунок 4.24 – Устройство скребкового конвейера СП-202М

166

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

mFv дв

2

01

2ψ= , (4.2)

где ψ0 – суммарный приведенный зазор в системе, состоящий из

зазоров в зубчатых передачах, шлицевых и шпоночных соединениях, зазора между зубцами приводной звёздочки и тяговым органом; Fдв – усилие, развиваемое двигателем за счёт электромагнитного момента.

На этом этапе при налички значительных зазоров в трансмис-сии, в ней возникают ударные нагрузки, вызванные переменной со-ставляющей электромагнитного момента двигателя.

На втором этапе осуществляется движение ротора двигателя при налички упругой деформации трансмиссии и тягового органа до мо-мента, когда пусковое усилие сравняется с усилием статических со-противлений. Увеличение угловой скорости ротора определяется уравнением:

0Fcxdt

xdm дв22

22

2 =−+ , (4.3)

которое интегрируется при начальных условиях:

10t

20t2 v

dtdx;0x ==

==

, (4.4)

где х2 – перемещение массы m2; с – приведенная жёсткость трансмис-сии и тягового органа.

Третий этап пуска - завершающий. На этом этапе движение тя-гового органа описывается системой уравнений:

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

=−−

=+−+

дв2122

2

2

сопр2121

2

1

F)xx(cdt

xdm

0F)xx(cdt

xdm

, (4.5),

где х1 – перемещение массы m1; Fсопр – усилие сопротивления

перемещению тягового органа. Интенсивность разгона тягового органа конвейера при пуске

обусловлена параметрами приводов, величинами сопротивлений

167

движению, которые нелинейно уменьшаются с увеличением скорости движения скребковой цепи и характеризуется значительными уско-рениями подвижных элементов привода.

Функциональным элементом привода конвейера, специально предназначенным для повышения плавности разгона при пуске, явля-ется гидромуфта (рис. 4.26). Её оребрённые насосное и турбинное ко-лёса устанавливаются, соответственно, на вал асинхронного двигате-ля и входной вал редуктора. Полость между колёсами в корпусе муф-ты заполнена эмульсией. Таким образом, насосное колесо, вращаясь со скоростью вала двигателя вызывает вращательное движение эмульсии, которая, в свою очередь, воздействует на турбинное коле-со, передавая на него вращающий момент двигателя. Установленные особенности воздействия гидромуфты на динамику пуска электро-привода скребкового конвейера поясняются её механической харак-теристикой (рис. 4.27) [25; 34]:

Мт = а1vy2 + a2vнvт + а3vт2, (4.6)

где а1, а2, а3 - постоянные для отдельных зон семейства механических характеристик; Мт - момент на валу турбинного колеса гидромуфты; vн, vт – угловые скорости насосного и турбинного колёс.

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

168

Близкий к номинальному момент на валу турбинного колеса гидромуфты в процессе пуска может быть получен при угловой ско-рости насосного колеса, близкой к номинальной. Поэтому в начале пуска двигатель конвейера разгоняется почти без нагрузки, а в конце разгона ротора движение рывком передаётся на скребковую цепь, что является фактором повышения динамических нагрузок в трансмиссии конвейера.

Резкое торможение, вызванное внезапным стопорением тягово-го органа, является наиболее опасным режимом работы конвейера, поскольку его подвижные элементы, кроме статических сил, разви-ваемых двигателем за счёт электромагнитного момента, находятся под воздействием динамических сил, обусловленных интенсивным замедлением движущихся масс.

При условии, что стопорение тягового органа происходит

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

Рисунок 4.27 Совокупность механи-ческих характеристик гидромуфты

1- рабочая; 2- пусковая; 3 -при работе на стопорение

vн

Мт

169

0)v(Fcudt

udm дв2

2

=−+ , (4.7)

где m – суммарная приведенная масса привода; Fдв – усилие в тя-

говом органе, развиваемое двигателем за счёт элек-тромагнитного момента; v – скорость массы привода. Оперделение макси-мального усилия в тяговом органе, развиваемого дви-гателем за счёт электро-магнитного момента при стопорении скребковой

цепи производится по формуле [25]:

2нкр0крmax cmv)FF(FF +−+= , (4.8)

где Fкр - усилие соответствующее критическому моменту двигателя; F0 – усилие, развиваемое двигателем в начале торможения; vн – номи-нальная скорость тягового органа.

Из выражения (4.8.) следует, что в момент стопорения скребко-вой цепи до остановки турбинного колеса гидромуфты вся её вра-щающаяся масса, суммируясь с массой ротора АД, вызывает значи-тельное дополнительное растягивающее усилие, повышая общее рас-тягивающее усилие в цепи. Исследованиями [13] установлено, что при стопорении тягового органа в приводе конвейера, оснащённом гидромуфтой, возникают колебания нагрузки и скорости вращения турбинного колеса муфты (рис. 4.29). Это обусловлено тем, что ди-намические нагрузки при стопорении приводят к значительным рас-тягивающим деформациям цепи. Упругая реакция скребковой цепи после остановки турбинного колеса раскручивает его в обратном на-правлении, и гидромуфта работает определённое время в режиме противовключения, пока скребковая цепь не утратит некоторую часть запасённой потенциальной энергии. После этого вновь начинается движение турбинного колеса и последующее стопорение (рис. 4.30). В моломощных конвейерах колебания усилий достаточно быстро

m Fдв

c

l

Рисунок 4.28. - Расчётная схема процесса стопорения конвейера

170

угасают, однако при увеличении мощности приводов до 55 кВт коле-бания могут носить стационарный характер при весьма высоких ам-плитудах вплоть до выплавления предохранительных пробок гидро-муфт.

Таким образом, защит-ное действие гидромуфты состоит в кинематическом рассоединении валов двига-теля и редуктора путём слива под давлением во внешнее пространство эмульсии (ко-торая, как правило, нагрета до температуры, превышаю-щей 100 0С) вследствие вы-плавления плавкой пробки. Это действие происходит в случае остановки тур-бинного колеса при условии, что в начале стопорения не произошло порыва скребко-вой цепи конвейера.

Другой характерной особенностью функционирования электро-привода скребкового конвейера является работа двух приводных бло-ков на один вал. Рассмотрим случай, когда механические характери-стики ОА и ОВ отдельных приводных блоков имеют различный угол наклона (рис. 4.31) в связи с различием номинальных скольжений sном1 и sном2. При условии совместной работы на общий вал (на харак-теристике ОС) при моменте сопротивления, равном удвоенному но-минальному моменту каждого приводного блока (2 Мном), общее скольжение, с которым работают приводные блоки, должно нахо-диться между наминальными скольжениями отдельных блоков: sном1 < s< sном2. Распределение моментов приводных блоков подчиняется следующим соотношениям:

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 – Экспериментальная пе-реходная характеристика гидромуфты ГПЭ-345 при стопорении конвейера

vн, с-1

171

Таким образом, совместная работа (на один вал) двух привод-

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

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

172

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

Теоретически, причиной отличия номинальных скольжений

приводных блоков может быть различие наклонов естественных ха-рактеристик их асинхронных двигателей. Однако, применение пере-довых технологий при производстве электрических машин способст-вует поддержанию одинаковых электромеханических показателей электродвигателей каждой серии. На практике различный наклон ме-ханических характеристик, как правило, является следствием неоди-накового по объёму заполнения гидромуфт эмульсией (в результате ошибки или невнимательности персонала). Соответственно этому, гидромуфты будут иметь различные номинальные скольжения, что и будет причиной различий номинальных скольжений приводных бло-ков конвейера.

Перспективным направлением в области создания шахтных скребковых конвейеров является применение двухскоростных асин-хронных двигателей. Они имеют на одном магнитопроводе две трёх-фазные статорные обмотка (в каждой – соединение по схеме «звезда» (рис. 4.32; рис. 4.33) с четырьмя и двенадцатью полюсами) и позво-

КАТУШЕЧНАЯ ГРУ-ППА КАТУШЕЧНАЯ

ГРУППА

а б

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

173

ляют получать синхронные угловые скорости ротора, соответственно, 1500 об/мин и 500 об/мин. Это существенно способствует повыше-нию безопасности эксплуатации конвейера: пуск конвейера с кратко-временной ступенью уменьшенной (в 3 раза) скорости тягового орга-на, вспомогательные операции по доставке оборудования и материа-лов в очистной забой на малой скорости.

Выполнение функции управляемого пуска с кратковременной

ступенью пониженной скорости требует соблюдения условия стаби-лизации скорости привода на протяжении времени переключения статорных обмоток двигателя Пуск асинхронного двигателя методом контакторной коммутации обмотки пониженной скорости (на на-чальном этапе) и обмотки номинальной скорости (на завершающем этапе) характеризуется наличием свободной составляющей магнит-ных потоков и колебаниями электромагнитного момента двигателя на интервале переключения статорных обмоток (рис. 4.34).

С целью недопущения колебаний скорости и возможной приос-тановки движения скребковой цепи при переключении статорных обмоток в составе конвейера применяют, как правило, два двухскоро-стных приводных блока, при их расположении на головном и хвосто-вом приводах (рис. 4.35). Это позволяет использовать положительные свойства конвейера как системы с распределёнными параметрами (скребковая цепь представляется участками в виде параллельно со-единённых упругих и диссипативных элементов с массой mi, жёстко-стью сi и коэффициентом демпфирования μi. Приводы представлены в

Рисунок 4.33 – Конструкция двухскоростного асинхронного двига-теля серии ЭДКВФ

1 2

174

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

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

m1 mn

Jп1

……..

ω0 Mд2 ωn+1

Mд2

Mс2 Mс1

L0 c0, μ0

L1 c1, μ1

Ln cn, μn

привод 1

привод 2

т.0 т.1 т.n

Рисунок 4.35 – Динамическая схема 2-приводного скребкового конвейера

Ln-1 cn-1, μn-1

Ln+1 cn+1, μn+1

т n+1 Jп2

175

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

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

Хвостовой привод Головной привод

Зависимости скоростей вращения роторов двигателей от времени, с

Зависимость фазного тока хвостового двигателя от времени, с

176

Эксплуатация двухскоростного АД в условиях шахтного участка

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

Rу Rу

Рисунок 4.37 – Расчётная схема подключения двух статоров двухскорост-ного асинхронного двигателя к сети учатка шахты

е1 е2

ТП АЗ

177

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

Значительные по величине амплитуды указанных ЭДС и их

чрезмерно высокие частоты создают условия для возникновения опасных токов в цепи утечки тока на землю (Rу) через ёмкостные со-противления изоляции ХК = 1/2πfС, поскольку при частотах 650 Гц и 1650 Гц эти сопротивления существенно снижены в сравнении с ве-личинами ёмкостных сопротивлений изоляции при протекании токов промышленной частоты (50 Гц).

Безопасная эксплуатация двухско-ростного АД может быть осуществлена при условии подачи оперативного тока АЗ не только в цепь включенной обмот-ки статора, но и в цепь другой, отклю-ченной от сети статорной обмотки дви-гателя.

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

f =1650 Гц f =650 Гц

а б

Рисунок 4.39 - Компоновка шахтного очист-ного механизированного комплекса на основе применеия скребкового конвейера

178

Вопросы для самоконтроля 1. Каковы особенности устройства и эксплуатации шахтных лен-точных конвейеров?

2. Каковы особенности устройства и эксплуатации конвейеров с канатно-троссовым приводом?

3. Каковы особенности устройства и эксплуатации шахтных скребковых конвейеров?

4. В чём состоит применение тиристорных регуляторов напряже-ния в устройствах управления пусковыми режимами асинхрон-ных электроприводов ленточных конвейеров?

5. Каковы структура и принцип действия устройства управления плавным пуском асинхронного электропривода ленточного кон-вейера (на примере АПМ-1)?

6. В чём заключаются особенности применения устройств «soft-start» с разомкнутыми системами управления в электроприводах шахтных ленточных конвейеров?

7. В чём заключаются особенности устройства и эксплуатации асинхронных электроприводов ленточных конвейеров с рео-статными схемами управления, включая схемы с тиристорными регуляторами роторного тока двигателей?

8. Какова проблематика эксплуатации и принципы построения системы импульсно-фазового управления тиристорным регуля-тором роторного тока асинхронного двигателя?

9. Каковы особенности эксплуатации гидромуфты в электроприво-де скребкового конвейера (работа при пуске; стопорении тяго-вого органа; влияние на параметры кинематически соединённых между собой двух приводных блоков)?

10. Каковы особенности применения двухскоростных асин-хронных двигателей в электроприводе скребкового конвейера и проблематика электробезопасности их эксплуатации, требова-ния к алгоритму переключения скоростных режимов приводных блоков в процессе разгона?

179

РАЗДЕЛ 5 ЭЛЕКТРОПРИВОД ДОБЫЧНЫХ И ПРОХОДЧЕСКИХ

МАШИН

Учебной целью раздела является обретений студентами знаний относительно специфики устройства и эксплуатации электропри-водов шахтных добычных и проходческих комбайнов, струговых ус-тановок, включая технические средства регулирования скоростных режимов, особенностей обеспечения защиты от электропоражения при эксплуатации частотно-управляемых асинхронных электропри-водов подачи очистных комбайнов.

5.1 Особенности устройства и эксплуатации добычных

комбайнов и струговых установок

Добычные (очистные) комбайны и струговые установки – ос-новной вид электромеханического оборудования, предназначенного для отделения угля и породы от горного массива с последующим пе-ремещением горной массы на забойный скребковый конвейер. Как правило, очистные комбайны имеют встроенный электропривод ре-зания, оснащённый одним, или двумя асинхронными двигателями, а также электропривод подачи, который может быть как непосредст-венно встроенным в очистной комбайн (рис. 5.1), так и входить в структуру вынесенной системы подачи (ВСП) комбайна (рис. 5.2).

Электроприводы подачи комбайна могут быть нерегулируемы-ми по угловой скорости (оснащаются асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором) и регулируемыми по параметру скоро-сти. В последнем случае в промышленности известны следующие технические решения:

- регулируемый электропривод постоянного тока с одним или двумя двигателями подачи постоянного тока, для регулирования ско-ростного режима которых предусмотрен управляемый выпрямитель (выпрямители);

- регулируемый электропривод переменного тока с одним или двумя асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, для регулирования скоростного режима которых предусмотрен преобра-зователь частоты.

180

Таким образом, для очистного комбайна характерным является

наличие двух электроприводов разного назначения (резания и пода-чи). Перемещение рабочего органа резания в соответствии с гипсо-метрией пласта осуществляется гидродомкратами поворотного блока резания. При этом сами двигатели привода резания в зависимости от конструкции комбайна могут быть закреплены стационарно в корпу-се комбайна, либо в составе корпуса поворотного блока резания (т.е., перемещаться относительно основного корпуса 4 комбайна вместе с ПБР.

Перемещение комбайна в горизонтальной плоскости осуществ-ляется по ставу забойного конвейера за счёт вращения звёздочек при-вода подачи вдоль металлической цепи (при встроенном приводе по-дачи). В случае использования ВСП корпус комбайна закрепляется на общем цепном тяговом органе, который перемещается в горизон-

10 10

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

3 3

4

7 7

БД БД

2э

13 13

12 12

181

тальной плоскости приводными блоками, расположенными на верх-нем и нижнем приводах забойного скребкового конвейера.

Работа очистного комбайна отличается стохастическим измене-

нием нагрузки (момента сопротивления), что характеризуется коэф-фициентами вариации, которые определяются [35]:

- особенностями конструкции исполнительного органа ; - силой резания на одном резце, которая зависит от хрупко-

пластичных свойств угля; - величинами сопротивляемости угля резанию в сечении очист-

ного забоя и вдоль лавы; - неравномерностью подачи на очистной забой. Таким образом, расчётная мощность электродвигателя исполни-

тельного органа комбайна определяется фактической диаграммой его нагрузок, которая, в свою очередь, зависит от организации труда,

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

2

7

7

13

13

182

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

ПВ = (tп+tр)100/Тц, (5.1)

где tп – продолжительность пуска; tр – продолжительность работы; Тц= tп+tр+tо – продолжительность цикла; tо - продолжительность пау-зы.

Определённым техническим противоречием относительно элек-троприводов очистных комбайнов является необходимость примене-ния высокомощных электродвигателей в машине, габариты которой

ограничены малым поперечным сечением очистного забоя, в ко-тором, кроме комбай-на должно быть раз-мещено и другое тех-нологическое обору-дование. Одним из эффективных решений этого противоречия является применение асинхронных двигате-лей с жидкостной сис-темой охлаждения (двигатели типажных рядов ЭКВЖ; ЭКВК-

4; ЭКВК-3,5; 2ЭКВЭ4; ЭКВ4) [36]. В зависимости от типа, в конструкции двигателя предусмотрена

одноконтурная, либо двухконтурная система жидкостного охлажде-ния на основе применения воды в качестве хладагента, который про-качивается по внутренним каналам корпуса двигателя. При приме-нении двухконтурной системы жидкостного охлаждения водяной

1

2 3 4

Рисунок 5.3 – Общий вид асинхронного двига-теля ЭКВК4-220 (разработка УкрНИИВЭ): 1 – корпус, 2 – вал ротора со шлицами; 3 – кабе-льные вводы; 4 – штуцеры подключения сис-темы водяного охлаждения

183

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

Работа струговой установки состоит в перемещении струга вдоль става забойного скребкового конвейера аналогично перемеще-нию добычного комбайна системой ВСП (рис. 5.4). Поэтому система подачи струга содержит два приводных блока, размещённые на верх-нем и нижнем приводах забойного скребкового конвейера. Устройст-во каждого из приводных блоков струговой установки аналогично устройству приводного блока скребкового конвейера и состоит из со-единённых кинематически асинхронного двигателя з короткозамкну-тым ротором, гидромуфты и редуктора. Приводной блок может быть

Продольное расположение приводных блоков

Поперчное расположение приводных блоков

1

2

3

3

4

4

5 5

6

7 7

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

184

расположен как вдоль става конвейера, так и поперёк него. Ни каких средств регулирования скорости приводов струга не предусматрива-ется. Пуск и остановка приводов обеспечивается магнитными пуска-телями соответствующих асинхронных двигателей.

5.2 Электропривод подачи комбайна постоянного тока

Задача регулирования скорости в некоторых типах очистных

комбайнов решается на основе применения регулируемых электро-приводов постоянного тока. Общим положением в этом направлении является использование управляемых выпрямителей для регулирова-ния величины напряжения питания якоря двигателя в диапазоне от нуля до номинального. Такие управляемые выпрямители в зависимо-сти от габаритов могут быть встроенными в корпус комбайна (ком-байн 1КШЭ), либо смонтированными в отдельном взрывозащищён-ном корпусе и установленными на штреке (комбайны РКУП10; 1К10П) [11;35].

На структурной схеме (рис.5.5) представлены силовые цепи подключения асинхронного двигателя М1 привода резания и двига-теля постоянного тока М2 привода подачи, включая элементы систе-мы управления его скоростным режимом. Исполнительным устрой-ством управления является управляемый (тиристорный) выпрями-тель, формирующий на своём выходе напряжение постоянного тока в соответствии с командами фазовой задержки включения тиристоров, которые поступают от системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Входным параметром СИФУ является выходной ток обмот-ки L3 магнитного усилителя (МУ). Заданием величины скорости по-дачи является величина тока Із в обмотке L4 МУ. При автоматическом регулировании скорости подачи в зависимости от нагрузки двигателя привода резания имеет место сравнение в МУ параметров токов в об-мотках задания скорости L4 и обратной связи по току привода резания (L1) – токов Із и Ір (Ір –выпрямленный параметр вторичного тока дат-чика тока ДТ1). Результирующая намагничивающая сила МУ опреде-ляется как разность намагничивающих сил указанных обмоток и соз-даёт на выходе МУ величину входного параметра СИФУ, что обу-словливает величину напряжения на выходе выпрямителя и, тем са-мым, - угловую скорость двигателя М2 привода подачи. Таким обра-зом, с увеличением нагрузки привода резания увеличивается пара-метр, приводящий к ограничению скорости подачи по критерию не-

185

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

Защита двигателя М2 привода подачи от перегрузки произво-дится при помощи задержанной обратной связи по току. Выпрямлен-ный параметр вторичного тока датчика тока ДТ2 создаёт пропорцио-нальное напряжение на нагрузке R1 выпрямителя VC2. В случае пре-вышения напряжением, приложенным с части резистора R1 напряже-ния пробоя стабилитрона VD1, последний отпирается в обратном на-правлении, и в обмотку L2 МУ поступает ток Іп (пропорциональный току якоря двигателя М2 привода подачи комбайна). Его действие направлено на пропорциональное ограничение скорости подачи ком-

L1

L2

L4

УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

РЕВЕРСОР

СИФУ

ЗС

ДТ1

ДТ2

TV1 VC1

VC2

M1

VD1

R1 МУ

+

М2 L5 Рисунок 5.5 – Структурная схема автоматизованного електропри-вода подачи очистного комбайна с двигателем постоянного тока

Ір

Іп

Із

L3

186

байна, аналогично рассмотренному действию тока Ір. Этот алгоритм, кроме магнитного усилителя может быть реализован и микроэлек-тронными техническими средствами.

Электроприводы постоянного тока очистных комбайнов явля-ются техническими разработками, преимущественно, 1970 годов и, с учётом отрицательных показателей их эксплуатации (низкие надёж-ность, ресурс, высокая трудоёмкость обслуживания) и достигнутых положительных результатов в создании частотно-управляемых асин-хронных электроприводов горных машин – не имеют дальнейшей перспективы развития.

5.3 Частотно-управляемый асинхронный электропривод подачи

очистного комбайна

Современная технология угледобычи обусловливает необходи-мость регулирования скорости подачи очистного комбайна. В своё время с этой целью применялись системы электропривода постоянно-го тока. Однако низкие эксплуатационные характеристики такого привода, искрения в коллекторном узле, низкая надёжность, высокая стоимость двигателя, его ремонта, трудоёмкость обслуживания обу-словили поиск альтернативных решений. Таким решением является частотно-управляемый асинхронный электропривод подачи очистно-го комбайна на основе применения силового инвертора на IGBT (транзисторах) и асинхронного двигателя, отличающегося более вы-сокой надёжностью, ресурсом, меньшими показателями стоимости и трудоёмкости обслуживания.

Техническая реализация силового полупроводникового преоб-разователя частоты в рудничном взрывобезопасном исполнении стала возможной благодаря: компактности современных силовых полупро-водниковых элементов (по два в одном модуле); обеспечению эффек-тивного теплоотвода от полупроводниковых структур на общие ме-таллические теплорассеиватели в результате применения специаль-ных электроизоляторов из теплопроводной керамики (оксид бария; оксид бериллия и т.п.); удобства подготовки и передачи сигналов управления на силовые полупроводниковые приборы на основе ис-пользования специальных драйверов.

Частотно-управляемые электроприводы внедрены в системах подачи очистных комбайнов, таких, как: УКД-300; КДК-500; КДК-700 и имеют перспективу дальнейшего широкого использования.

187

Схема электроснабжения такого комбайна (рис. 5.6) [37; 38] предусматривает подключение двигателей резания непосредственно к участковой сети промышленной частоты, а двигателей подачи – через преобразователь частоты.

Для обеспечения частотного принципа управления угловой ско-ростью двигателей привода подачи в структуре привода преобразова-тель частоты может непосредственно встраиваться в корпус комбай-на, либо быть выполненным в отдельной взрывобезопасной оболочке и находиться на распределительном пункте участка.

Структурно ПЧ полностью соответствует классической компо-новке преобразователя со звеном постоянного тока, представленной преобразователем 1 с ёмкостным фильтром 2 на выходе (рис. 5.7) [37]. Напряжение изменяемой частоты формируется автономным ин-вертором напряжения 3 и подаётся на асинхронный двигатель потре-бителя через сглаживающий дроссель 4.

В процессе формирования трёхфазной системы выходных на-пряжений преобразователя применяется принцип широтно-импульсной модуляции. Это поясняется следующим. Постоянное на-пряжение звена постоянного тока приложено к автономному инвер-тору напряжения, силовые транзисторные модули которого пооче-рёдно отпираются короткими импульсами частоты 2500 Гц. В про-

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

ЭДР1

ЭДР2

ЭДП1

ЭДП2

АЗ ПЧ

188

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

Моменты включения ключей определяются сравнением моду-

лирующего напряжения uтр (t) с заданным напряжением uзад (t). По-скольку на выходе инвертора формируется трёхфазная система на-пряжений заданной частоты, существует необходимость в трёх за-данных напряжениях одной амплитуды со сдвигом на 1/3 периода выходной частоты: (2π / 3): uзадA (t), uзадB (t), uзадC (t), в соответствии с диаграммами (рис. 5.9). Выходным напряжением инвертора будет па-раметр:

uвих (t)=U·F(t), (5.2)

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

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

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

189

Трёхфазная система задающих напряжений описывается выра-

жениями:

uзадA=μ·sin(2πtƒвих/ƒк) (5.3)

uзадВ=μ·sin(2πtƒвих/ƒк-2π/3), (5.4)

uзадC=μ·sin(2πtƒвих/ƒк-4π/3), (5.5)

где μ – коэффициент модуляции; ƒвих – частота выходного напряже-ния; ƒк – частота модуляции.

Модулирующее напряжение определяется выражением: uТР(t)=-2·arcsin[sin(t-π/2)]/π. (5.6) Прямоугольные выходные импульсы напряжения сглаживаются

выходным LC-фильтром, который создаёт эффект приближения фор-мы выходного тока инвертора к синусоидальной. Однако прямо-угольность импульсов выходного напряжения инвертора обусловли-вает наличие в них высокочастотных гармонических составляющих (рис. 5.10), величина и уровень частоты которых находятся в зависи-мости от заданной частоты. При этом, с уменьшением выходной час-тоты напряжения инвертора ширина выходных импульсов увеличи-вается, что обусловливает уменьшение уровня высокочастотной со-ставляющей выходного напряжения инвертора.

Рисунок 5.8 – Эквивалентная схема трёхфазного инвертора напряжения К1-К6 – эквиваленты полупроводни-ковых ключей; С – ёмкость цепи постоянного тока; Z1-Z3 – полные фазные сопротивле-ния силового присоединения

190

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

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

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

191

Наличие совокупности высокочастотных составляющих в спек-тре выходных напряжений инвертора обусловливает существенное уменьшение ёмкостного сопротивления изоляции сети токам этих частот и создаёт дополнительную опасность электропоражения (рис.5.11) [37;40;41;42]. Кроме этого, при возникновении утечки тока на землю в цепи постоянного тока между сетью и землёй возникает дополнительный источник постоянного напряжения, ток которого Iут2 может значительно превышать величину оперативного тока Iоп аппа-рата защиты (АЗ) от утечек тока на землю и этим блокировать его ра-боту (рис. 5.12). Поэтому в шахтных электросетях, в которых приме-няются преобразователи частоты (комбинированные электрические сети) необходимо применять специальные аппараты защиты от уте-чек тока на землю, к которым относится аппарат серии АЗУР-4ПП (применяется в шахтных участковых комбинированных электросетях напряжением до 1140 В, включительно) [37].

Аппарат АЗУР-4ПП представляет собой систему комплексной защиты от утечек тока на землю в комбинированной шахтной участ-ковой электросети, отличающуюся повышенным быстродействием срабатывания при возникновении опасной утечки тока на землю (в случае касания человеком токоведущих элементов сети, находящихся под напряжением) АЗУР-4ПП производит одновременно воздействие на автоматический выключатель участковой трансформаторной под-станции, на преобразователь частоты и отключает кабельную линию, отходящую от ПЧ (при вынесенном варианте его расположения). Функциональные взаимосвязи этой системы иллюстрируются её блочно-структурной схемой (рис. 5.13).

Рисунок 5.10 – Спектр выходного напряжения инвертора в относитель-ных единицах [37]

192

АЗ

УВПФ

Іут1

Іут2

Rут1 Rут2

M

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

Іут Іут

t, ms t, ms 0 0

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

193

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

Участковая сеть делится на два участка, и блок 3 при этом не

срабатывает, а блок 2 функционирует в штатном режиме, поддержи-вая безопасность эксплуатации участковой сети при возникновении указанного аварийного режима.

Рисунок 5.13 – Блочно-структурная схема системы АЗУР-4ПП комплекс-ной защиты от утечек тока на землю в сети з преобразователем частоты в цепи электропитания асинхронного двигателя горной машины: 1 – блок контроля сопротивления изоляции сетиу; 2- блок компенсации ёмкост-ных токов утечки; 3 – блок защитно-го заземления фазы с повреждён-ной изоляцией; 4 – защитный коммута-ционный аппарат; 5 – трансфо-рматор участковой подстанции; 6 – силовая полупроводниковая схема ПЧ; 7 – коммутационный аппарат; 8 – блок принудительного отключе-ния; 9 – короткозамикатель; 10 – блок контроля сопротивления цепи по-стоянного тока

194

С целью устранения влияния звена постоянного тока на работу аппарата защиты при возникновении в нём опасного тока утечки на землю в связи с появлением напряжения между фазой сети и землёй, направленного встречно измерительному напряжению аппарата за-щиты, предусмотрен блок 10 контроля сопротивления изоляции звена постоянного тока, который при уменьшении его сопротивления изо-ляции ниже допустимого уровня отключает и блокирует коммутаци-онный аппарат 7.

Таким образом, эксплуатация частотно-управляемого асинхрон-ного электропривода очистного комбайна в условиях шахты возмож-на только при условии применения специально адаптированного ап-парата защиты от утечек тока на землю.

Алгоритм управления частотно-управляемым асинхронным приводом предусматривает поддержание заданного уровня скорости подачи комбайна при ограничении нагрузки двигателей подачи и ре-зания, а также – возможность генераторного торможения двигателей путём включения ключевого транзистора в блоке торможения (БТ) и замыканием ЭДС, созданной асинхронным двигателем, через тормоз-ной резистор (рис.5.14) [38; 43].

У таком приводе микропроцессорная система управления вы-полняет векторное управление магнитным потоком и угловой скоро-стью асинхронного двигателя подачи комбайна. Параметр заданной величины этой скорости формируется соответствующим блоком за-дания параметров (БЗ). С учётом заданной величины скорости пода-чи, ограничивающих факторов от тока привода резания и информа-ции о мгновенных значениях тока и напряжения статора привода по-дачи, исходящей от блока измерения (БИ), основной микроконтрол-лер (МК) микропроцессорной системы управления (МСУ) формирует управляющие команды воздействия на ключи автономного инвертора напряжения (АИН), на систему импульсно-фазового управления (СИФУ) выпрямителем (в случае применения управляемого выпря-мителя), а так же на широтно-импульсный модулятор (ШИМ), регу-лируя тем самым частоту и величину трёхфазного напряжения в цепи статора асинхронного двигателя (двигателей) привода подачи.

195

При непревышении током привода резания заданной величины

система управления поддерживает скорость подачи на уровне, задан-ном машинистом. При повышении нагрузки на привод резания сис-тема управления ограничивает ток этого привода на максимально до-пустимом уровне, уменьшая величину скорости подачи.

Компактность элементов частотно-управляемого электроприво-да позволяет встраивать преобразователь частоты непосредственно в корпус очистного комбайна и даёт возможность применения жидко-стного охлаждения силовых полупроводников преобразователя час-тоты.

Возможно размещение преобразователей частоты и в отдельных оболочках рудничного взрывобезопасного исполнения. В этом случае ПЧ могут размещаться на штреке. Схемы таких ПЧ так же состоят из

АИН БТ

ДРАЙВЕРЫ

СИФУ

БЗ

ШИМ

СЕТЬ

α

УВ

БИ

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

196

звена постоянного тока и АИН, однако в некоторых разработках схе-ма инвертора выполнена на тиристорах (рис. 1.50), что не является принципиальным для реализации частотного способа управления скоростью привода подачи комбайна.

Кроме приводов подачи, вмонтированных непосредственно в структуру очистного комбайна, преобразователи частоты могут при-меняться и для регулирования угловой скорости вынесенных приво-дов подачи (ВСП) очистных комбайнов (комбайн УКД-300 и т.п), что является перспективным техническим решением.

5.4 Электропривод вынесенной системы подачи очистного комбайна с электромагнитными муфтами скольжения

Наиболее распространённым техническим средством регули-

рования скоростных параметров вынесенной системы подачи очист-ного комбайна является асинхронная муфта (электромагнитная муфта скольжения). Она применяется в системах ВСП комбайнов КА80; К103М; КА200; УКД200-250 [35] и объединяет в себе функцию пере-дачи вращающего момента от двигателя на вал редуктора (или рабо-чего органа) технологической установки с функцией регулирования скоростного режима электропривода при условии постоянства угло-вой скорости приводного электродвигателя. Таким образом, в этих электроприводах применяются, как правило, асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, пуск которых производят прямым под-ключением к питающей сети без каких-либо средств регулирования угловой скорости ротора.

В состав электромагнитной муфты скольжения входят якорь и индуктор (рис. 5.15) [11]. Якорь представляет собой массивный стальной цилиндр или сердечник и устанавливается на валу двигате-ля. Соосно с якорем на валу рабочего органа (РО), либо редуктора ус-танавливается индуктор с обмоткой. В зависимости от конструкции якоря (цилиндр или сердечник) индуктор располагается во внутрен-нем объёме цилиндра якоря или имеет внешнее по отношению к яко-рю расположение.

197

Обмотка индуктора питается постоянным током, который пе-

редаётся на кольца индуктора от выпрямителя. При работе двигателя якорь вращается с постоянной скоростью (угловой скоростью вала двигателя). В этом случае при наличии постоянного тока в обмотке индуктора, последний индуктирует в в якоре токи, магнитные потоки которых взаимодействуют с магнитным полем индуктора и создают вращающий момент. Таким образом, якорь муфты передаёт вращаю-щее движение на индуктор и через него – на рабочий орган, либо ре-дуктор привода.

Величина постоянного тока регулируется управляемым вы-прямителем средствами фазового управления (СИФУ) и этим обу-словливает величину магнитного потока в элементах муфты и сколь-жение индуктора относительно вращения якоря. Этим регулируется величина угловой. скорости индуктора.

Механическая характеристика асинхронной муфты обуслов-лена током возбуждения І в в обмотке индуктора и величиной угловой скорости ωдв вала приводного двигателя (рис. 5.16):

)())(()(

222

2

2222

2

sxxrxrrIk

qdдв

qssвm

M+

+=

ω , (5.8)

РО

Управляемый выпрямитель

+ _

Якорь Индуктор

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

Двигатель

СИФУ Сеть

198

где s – скольжение индуктора муфты; r2- активное сопротивление якоря; xd; xq – составляющие индуктивные сопротивления реакции якоря, соответственно, по поперечной и продольной осям.

Таким образом, электромагнитная

муфта скольжения позволяет выполнить плавный пуск элек-тропривода при кон-такторном подключе-нии асинхронного двигателя к сети пу-тём плавного увели-чения величины тока возбуждения индук-тора. Кроме этого, электропривод с

электромагнитной муфтой скольжения способен поддержи-

вать промежуточные уровни скорости рабочего органа, а также за-данные уровни скорости при условии применения замкнутой по па-раметру скорости системы автоматического управления (коррекция тока возбуждения индуктора в функции рассогласования заданной и фактической скорости привода).

Указанные свойства использованы в электроприводе вынесен-ной подачи очистного комбайна.

5.5 Электропривод проходческих комбайнов

Проходческие комбайны (рис.5.17) представляют собой много-функциональные мощные электромеханические комплексы, предна-значенные для создания горных выработок как в угле, так и в окру-жающих породах. [35]. К основным производственным функциям проходческого комбайна следует отнести выемку горной массы, по-грузку отбитой горной массы на средство транспортирования (скреб-ковый перегружатель); транспортирование горной массы, перемеще-ние самого комбайна (гусеничный ход). К сопутствующим операциям

І в. ном

0,7І в. ном

0,85І в. ном

0,5І в. ном

ωдв ω

М

0

Рисунок 4.16 – Механические характеристики асинхронной муфты при разных токах возбуж-дения І в. обмотки индуктора

199

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

Все электроприводы функциональных узлов комбайна оснаще-

ны асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, комму-тация которых осуществляется контакторами станции управления, которая находится на комбайне (рис. 5.18) и не предусматривает функцию регулирования скорости (рис. 5.19). Для подачи напряжения на станцию управления и насос орошения предусмотрены магнитные пускатели ПМ1 и ПМ2, соответственно.

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

200

Рисунок 5.18 – Внешний вид станции управления СУВК электроприводами проходческого комбайна

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

Гесеничный ход

Гесеничный ход

Перегружатель

Исполнительный орган

Вентилятор пылеотсоса

Порузочный орган

Насос гидросистемы

Перегружатель

Насос оро-шения

201

Вопросы для самоконтроля

1. В чём состоят особенности устройства и эксплуатации очист-ных комбайнов, струговых установок и проходческих комбай-нов?

2. Какова структура и принцип функционирования регулируемого электропривода подачи очистного комбайна с двигателями по-стоянного тока?

3. Какова структура и принцип функционирования частотно-управляемого асинхронного электропривода подачи очистного комбайна?

4. В чём состоит проблематика обеспечения электробезопасности эксплуатации частотно-управляемого асинхронного электро-привода подачи очистного комбайна?

5. Как устроен электропривод вынесенной системы подачи очист-ного комбайна?

6. Каковы устройство и принцип действия электромагнитной муф-ты скольжения в электроприводе вынесенной системы подачи комбайна?

7. Раскрыть особенности устройства электроприводов проходче-ского комбайна.

202

РАЗДЕЛ 6 ЭЛЕКТРОПРИВОД ЛОКОМОТИВНОГО ТРАНСПОРТА

Учебной целью раздела является обретение студентами знаний относительно устройства и функциональных свойств электропри-водов шахтных аккумуляторных и контактных электровозов и на-правлений их совершенствования на основе применения более эф-фективных электрических машин и способов управления скоростны-ми режимами электроприводов.

6.1 Устройство и особенности эксплуатации шахтных электровозов

Электровозный транспорт достаточно распространён на горных

предприятиях. По способу электропитания приводных двигателей рудничные электровозы делятся на аккумуляторные и контактные (рис. 6.1). Область применения аккумуляторных электровозов – это шахты и выработки, опасные по взрыву метано-воздушной смеси или угольной пыли, где эксплуатация контактных электровозов запреще-на. Базовые конструкции электровозов предусматривают применение двух приводных блоков с двигателями постоянного тока.

Каждый приводной блок (рис. 6.2) представлен конструкцией из тягового двигателя постоянного тока последовательного возбуждения и редуктора, на выходном валу которого расположена колёсная пара. Подвеска приводного блока в рудничных электровозах является опорно-рамной, где ось колёсной пары является опорой для редукто-ра, а электродвигатель прикрепляется к раме электровоза. Электро-двигатели шахтных контактных электровозов рассчитаны на номи-нальное напряжение (постоянного тока) 250 В и 550 В. Номинальное напряжение питания электродвигателей аккумуляторных электрово-зов составляет, как правило, 175 В.

Типовой электропривод аккумуляторного электровоза предус-матривает одновременную работу обоих приводных блоков на общую механическую систему нагружения. При этом, преимуществом двига-телей последовательного возбуждения является малая жёсткость их механической характеристики с повышением её наклона при умень-шении нагрузки. В связи с этим:

203

- создаются условия для стабилизации силы тяги при колеба-ниях величины напряжения питания (в зависимости от состояния за-ряженности аккумуляторной батареи), поскольку в этом случае будет колебаться только угловая скорость вала двигателя;

- нагрузка между двумя двигателями последовательного воз-буждения, работающими на общую механическую систему (колёсные пары, находящиеся на рельсах), распределяется более равномерно, и работа двигателей в этих условиях – более устойчива [21; 44].

Исполнительным устройством для ручного управления скорост-

ными режимами приводных блоков электропривода является кон-троллер (рис. 6.3), в котором, в соответствии с каждым фиксирован-ным положением рукоятки включаются и отключаются соответст-

1

13

2 4

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

4

5

6 7

а

б

204

вующие силовые контакты, коммутирующие якорные цепи привод-ных блоков и дополнительные резисторы [45].

Для управления скоростным ре-жимом электропривода шахтного электровоза применяют последо-вательно-параллельный способ. Для реализации крайне малых скоростей (начало движения, ма-невровые операции) приводные блоки подключают последова-тельно один к другому и последо-вательно с ними – группы допол-нительных резисторов. По мере разгона резисторы выводят из ра-боты (шунтированием) так, что привод может быть разогнан до скорости, в 2 раза меньшей, чем номинальная. При этом оба при-водных блока остаются подклю-ченными один к другому – после-

довательно, и падение напряжения на каждом из них будет равно по-ловине общего напряжения питания. В дальнейшем появляется необ-ходимость не сопровождаемого рывком увеличения скорости приво-да, что осуществляется переключением приводных блоков с последо-вательного на параллельное соединение Эта функция реализуется пе-реключениями в силовой цепи в соответствии с рис. 6.4. Так, третьей позиции соответствует схема из соединённых параллельно привод-ных блоков (с дополнительными резисторами), когда напряжение пи-тания полностью подводится к ним. По мере дальнейшего шунтиро-вания дополнительных резисторов достигается состояние, когда оба приводных блока оказываются подключенными непосредственно к источнику питания Группа дополнительных резисторов размещается в соответствующем корпусе (ящик сопротивлений) и располагается непосредственно на электровозе.

Двига-тель

Колёсная пара

Редуктор

Рисунок 6.2 – Опорно-рамная подвеска приводного блока

205

М2

+

+

М1

_

_

М1

М2

К2 К1 ОВ2

ОВ2

ОВ1

ОВ1

Rдоп2

+ _

М1

М2

К3 ОВ2

ОВ1 Rдоп2

Rдоп2

Rдоп1

Rдоп1

Rдоп1

I

II

III

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

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

206

6.2 Направления совершенствования электроприводов шахтных электровозов

6.2.1 Электропривод постоянного тока

с импульсным регулированием напряжения

Относительно низкими параметрами эксплуатационной надёж-ности отличается контроллер – силовой контактный коммутационный аппарат. Кроме этого, принцип реостатного регулирования скорост-ного режима, применённый в базовом электроприводе постоянного тока шахтных электровозов, является неэкономичным, поскольку значительная доля энергии, потреблённой от аккумуляторной батареи или контактной сети, преобразуется в тепловую энергию нагрева до-полнительных резисторов.

Альтернативным техническим решением является импульсный принцип управления электроприводом (рис. 6.5) [11]. Бесконтактное регулирование величины напряжения на тяговом двигателе и тока его якоря достигается путём периодического отпирания и запирания тиристора VS1, подключенного в цепи якоря двигателя М. Угловая скорость тягового двигателя обусловлена формой импульсов тока якоря, продолжительностями этих импульсов t1 и пауз t2 между ними. В совокупности указанные продолжительности определяются часто-той поступления импульсов тока и представляют собой параметр скважности импульсов.

Техническими средствами реализации этого принципа могут быть управляемые тиристоры; силовые транзисторы; неуправляемые тиристоры при условии применения специальной схемы их принуди-тельного отключения (рис. 6.5,а). Такая схема предусматривает по-следовательную подачу отпирающих импульсов на тиристоры VS1; VS2. При открытом состоянии тиристора VS2 будет заряжен конден-сатор С2 (через якорь двигателя М). Поэтому при отпирании тири-стора VS1 этот конденсатор перезаряжается через данный тиристор и цепь L2-VD1 до обратной полярности, запирая тиристор VS1. Для за-пирания основного тиристора VS2 вновь включают тиристор VS1, че-рез проводящую структуру которого разряжается ёмкость С2 в на-правлении, обратном току якоря двигателя. В период паузы через тя-говый двигатель будет продолжать течь ток за счёт энергии, запасён-ной в двигателе и индуктивности; L1C1 – фильтр предназначен для

207

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

6.2.2 Особенности устройства высокочастотного бесконтактного средства передачи электроэнергии на электроприводы электровоза

В практике совершенствования устройств рудничного локомо-

тивного транспорта существует положительный пример применения бесконтактного электропитания двигателей рудничного электровоза токами высокой частоты. Передача электроэнергии от питающей подстанции к электровозам, находящимся в состоянии движения, осуществляется за счёт электромагнитной индукции токов высокой частоты, что поясняется схемой (рис. 6.6). Преобразовательная под-станция 1 представляет собой силовой полупроводниковый преобра-зователь трёхфазного тока частоты 50 Гц в однофазный ток частоты 5000 Гц. Затем этот ток подаётся в тяговую сеть 2 (два высокочастот-ных одножильных кабеля, закреплённых около кровли выработки над

VS2

C2 VS1

C1

M1 L1

VD1 L3

VD2

+

_ L2

tt1 t2

U; I U I

a

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

208

рельсовой колеёй 8 симметрично относительно её оси). Эти кабели представляют собой замкнутый контур с компенсацией индуктивно-стей конденсаторами 3, включенными через определённые расстоя-ния последовательно с каждым кабелем. Расстояние между линейны-ми кабелями в сети может составлять 400 мм.

Энергия тока вы-сокой частоты от электропотребителя 4 через выпрямитель 5 поступает к электро-двигателям 6. Для ре-гулирования ско-ростного режима дви-гателя может быть за-действован любой из известных способов (использование регу-лируемого тиристор-ного выпрямителя с

системой импульсно-фазового управления, импульсное управление, реостатное управление). Назначение конденсаторов 7 – компенсация ЭДС самоиндукции электромеханической системы.

Рассмотренное техническое решение обеспечивает бесконтакт-ный токосъём, что отличается повышенным ресурсом и делает невоз-можным искрообразование (в сравнении с процессом токосъёма при эксплуатации контактного электровоза).

6.2.3 Частотно-управляемый асинхронный электропривод

шахтного электровоза

Эксплуатационные преимущества асинхронного двигателя с ко-роткозамкнутым ротором обусловливают целесообразность примене-ния его в регулируемом электроприводе шахтных аккумуляторных и контактных электровозов. Определённым препятствием в развитии этого вопроса является техническое противоречие между родом тока источника питания (постоянный ток) и родом тока питания статора двигателя. Противоречие просматривается так же между величиной выходного напряжения аккумулятора (150÷170 В) или напряжения контактной сети и номинальным линейным напряжением двигателя,

Рисунок 6.6 – Схема высокочастотного бескон-тактного питания электродвигателей шахтного электровоза

209

определённым действующими нормативами (380 В; 660 В). Поэтому в составе электропривода шахтного электровоза в случае применения асинхронных двигателей и принципа частотного регулирования ско-рости должны быть предусмотрены адаптированные схемы преобра-зователей частоты.

Примером такого преобразователя является схема трёхфазного вентильно-трансформаторного инвертора (рис. 6.7) [46]. В основу её работы положены принципы функционирования полупроводникового преобразователя частоты со звеном постоянного тока. В данном слу-чае функцию этого звена выполняет аккумуляторная батарея или шахтная контактная сеть.

Трансформатор TV1 инвертора выполняет согласование напря-

жений источника и двигателя по величине. Частота трёхфазной сис-темы выходных напряжений (на выходе А; В; С трансформатора TV1) определяется частотой и алгоритмом переключения силовых тири-сторов VS1-VS4 каждой фазы инвертора. Выходные параметры дан-ной схемы иллюстрируются осциллограммами (рис. 6.8). Скоростной режим асинхронного двигателя обусловливается частотой выходных напряжений инвертора, а его энергетические параметры корректиру-ются введением соответствующих углов проводимости силовых ти-ристоров.

Схемотехника инверторов может отличаться от схемы, приве-денной на рис. 6.7. В частности, при использовании асинхронного двигателя, специального назначения (амплитуда линейного напряже-

Рисунок 6.7 – Силовая схема трёхфазного вентильного трансформаторного инвертора

210

ния статора двигателя равна величине выходного напряжения акку-муляторной батареи), исчезает необходимость в использовании со-гласующего трансформатора. При этом схема автономного инвертора приближается по структуре к соответствующим схемам силовых пре-образователей, широко распространённым в промышленности (рис.1.46).

6.2.4 Особенности применения вентильного реактивного двигателя

вэлектроприводе шахтного электровоза

Объективные недостатки двигателя постоянного тока, обуслов-ленные наличием сложного в производстве и техническом обслужи-вании, не достаточно надёжного узла – коллектора обусловливают разработку альтернативных технических решений. Одним из них яв-ляется применение вентильного реактивного двигателя (ВРД) в каче-стве приводной машины шахтного электровоза. ВРД представляет собой бесконтактную электрическую машину, электропитание кото-рой производят от источника постоянного тока. Таким образом, при-менение этого двигателя согласуется с особенностями источника пи-тания как аккумуляторного, так и контактного шахтного электровоза.

U, B 100 0 -100 I, A 50 0 -50

а

б

20 мс

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

211

Конструкция ВРД (рис. 6.9) предусматривает наличие совокуп-ности магнитных полюсов статора (1) и ротора (2), при этом, количе-ство роторных магнитных полюсов меньшее, чем статорных. Среди двигателей средней мощности наиболее распространены ВРД с маг-нитной системой «8/6» - восемь полюсов статора и шесть – ротора [46]. Такой двигатель имеет 4 фазы, каждая из которых выполнена двумя полуобмотками, расположенными на диаметрально противо-положных полюсах статора и соединёнными последовательно.

Принцип работы ВРД состоит в дискретном изменении состоя-ний электромагнитного поля в рабочем зазоре машины за счёт им-пульсного возбуждения обмоток полюсов статора. Это возбуждение обеспечивается силовым вентильным коммутатором (СВК), ключи 3 которого по очереди коммутируют с источником электропитания по-стоянного тока обмотки фазных полюсов статора ВРД и, тем самым, преобразуют напряжение постоянного тока (UDC) в систему фазных напряжений (в соответствии со схемой, рис. 6.9, напряжения UФ1 - UФ4), которые прикладываются к соответствующим полюсным об-моткам статора. Таким образом, питание фазных обмоток обеспечи-вается однополярными импульсами напряжения. При наличии тока в паре полюсных обмоток движение направлено к состоянию, при ко-тором её зубцы становятся соосными с зубцами возбуждённых полю-сов статора. Это обусловливает угловое перемещение ротора на шаг, соответствующий смещению полюса ротора относительно полюса статора.

Ступенчатому характеру изменения напряжений на фазах соот-ветствует дискретное вращение магнитного поля в рабочем зазоре двигателя, вследствие чего движение ротора состоит из последова-тельных элементарных шагов [47]. Задание определённой величины угловой скорости ротора обеспечивается изменением частоты пере-ключения статорных полюсов.

Электромеханические свойства двигателя определяются, в част-ности, продолжительностью включенного состояния полуобмоток противоположно расположенных статорных полюсов, так, что угол поворота ротора определяется ещё и количеством, а также продолжи-тельностью токовых импульсов в обмотках статорных полюсов.

212

Управление скоростным режимом ВРД осуществляется путём

задания соответствующей частоты переключения ключей СВК с учё-том соответствующих начального и конечного угловых положений ротора Θon и Θoff при помощи датчика положения ротора (ДПР) и от-рабатывается путём воздействия на силовые тиристорные ключи СВК через драйверы управления.

+

_

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

1

2

СВК ДПР

Драйверы управления

Микропроцессорное устройство управ-

ления Датчики фазных то-

ков

Пульт управления

U Ф3

U І

U Ф1

U Ф2

U Ф4

Θon ; Θoff ω

3

213

Наличие ДПР в схеме ВРД является обязательным, поскольку это связано с формированием информационного сигнала о простран-ственном положении полюсов ротора, что является необходимым для осуществления алгоритма управления полюсами статора. Кроме это-го, создаётся возможность достижения высоких показателей мощно-сти двигателя при условии упреждающего включения полюсных ста-торных обмоток. Датчики тока фаз ВРД выполняют вспомогательную функцию в области коррекции задания скорости двигателя при усло-вии поддержания приемлемого режима нагрузки, защиты привода от перегрузки.

Таким образом, существует несколько направлений совершенст-вования электропривода шахтных электровозов. Однако, принципи-альным является отказ в перспективе от использования двигателей постоянного тока в качестве тяговых приводных машин в связи с от-носительно низким ресурсом щёточно-коллекторного узла, вероятно-сти перерастания искрения в нём в коллекторный огонь (при ухудше-нии прижатия токопроводящих щёток к коллектору) с дальнейшим повреждением всей электрической машины; относительно высоким уровнем трудоёмкости обслуживания и ремонта двигателей.

Перспективным следует считать применение в электроприводе электрических машин и сопровождающего электрооборудования с бесконтактными средствами передачи энергетических потоков на подвижные элементы.

214

Вопросы для самоконтроля

1. Дать определение назначения, устройства и области применения рудничных аккумуляторных и контактных электровозов.

2. Каково устройство приводного блока рудничного электровоза? 3. В чём состоит управление скоростным режимом электропривода постоянного тока шахтного электровоза при наличии реостат-ных средств?

4. С какой целью и каким образом производится переключение приводных блоков электровоза с последовательного на парал-лельное соединение?

5. Каковы направления совершенствования электроприводов шахтных электровозов?

6. В чём состоит принцип импульсного регулирования скорости электродвигателя постоянного тока?

7. В чём состоит устройство и принцип действия высокочастотных средств бесконтактной передачи энергии на электропривод шахтного электровоза?

8. В чём заключается проблематика и принципы устройства час-тотно-управляемого асинхронного электропривода шахтного электровоза?

9. Каковы особенности устройства и функционирования вентиль-ного реактивного двигателя в контексте его возможного приме-нения в перспективных разработках электроприводов шахтных электровозов?

215

РАЗДЕЛ 7 ЭЛЕКТРОПРИВОД ШАХТНЫХ СТАЦИОНАРНЫХ

УСТАНОВОК

Учебной целью раздела является рассмотрение особенностей

устройства и функционирования электроприводов шахтных насос-ных, вентиляторных и компрессорных установок. Результатом ос-воения студентами материала раздела являются знания принципов устройства электроприводов шахтных насосных, вентиляторных и компрессорных установок, включая схемы управления скоростными режимами этих стационарных установок.

7.1 Электропривод насосных установок

Водообильность шахтных пластов обусловливает необходи-

мость применения мощных систем водоотлива, которые состоят из насосных установок местного и главного водоотлива шахты. Наибо-лее распространены многоступенчатые горизонтальные секционные насосы (рис.7.1).

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

216

В соответствии с конструкцией рабочие колёса 5 насоса нахо-дятся на рабочем валу 10, который при помощи муфты 12 присоеди-няется к валу приводного двигателя.

Мощность Р двигателя обусловлена величинами подачи Q (м3/час) и напора Н (м) насоса, и с учётом КПД насоса ηн и передачи ηп , рассчитывается по формуле [11]:

ηηγ

пн

HkQР3600

= , (7.1)

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

В качестве приводных используются высоковольтные или низ-

ковольтные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и прямым подключением к сети. Силовая коммутационная аппаратура

а

К цепям управления

б

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

217

представлена высоковольтными комплектными распределительными устройствами РВД-6; КРУВ-6 и т.п. (рис. 7.2) при напряжении сети (и номинальном напряжении двигателя) – 6000 В, или магнитными пус-кателями при номинальном напряжении приводного двигателя 660 В, или 1140 В.

Кроме функции силовой коммутации приводных двигателей указанные средства оснащены устройствами максимальной токовой защиты, защиты от токовых перегрузок, защитного отключения при исчезновении напряжения в сети (нулевая защита), блокировки пода-чи напряжения на присоединение с повреждённой изоляцией, защиты от потери управляемости в цепях дистанционного управления [4;5;22].

7.2 Электропривод вентиляторных установок

Процесс угледобычи, как правило, сопровождается выделением

угольной пыли, а так же газов, которые создают опасность отравле-ния (СО; СО2); создания взрывоопасной метано-воздушной смеси (СН4). Кроме этого, по мере углубления ведения горных работ воз-растает температура окружающей среды. Всё это требует создания безопасных и комфортных условий труда персонала шахты. Так, в соответствии с действующими ПБ, воздух в горных выработках дол-жен содержать кислород в объёме, не менее 20%; углекислый газ – не более 0,5%, а объём метана в потоке воздуха, выходящем из очи-стного участка, не должен превышать 1%. Всё это требует беспере-бойности подачи в шахту свежего воздуха в объёме, достаточном для поддержания указанных нормативных характеристик. Подача свеже-го воздуха в шахту осуществляется вентиляторами главного провет-ривания (рис.7.3), а вентиляция тупиковых выработок производится вентиляторами местного проветривания (рис.7.4).

В составе электропривода вентиляторов местного проветрива-ния применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым рото-ром (серии ВРМ, или подобной) мощностью в несколько десятков кВт. Средства регулирования угловой скорости приводов вентилято-ров местного проветривания отсутствуют.

Режим работы вентилятора главного проветривания – продол-жительный, а мощность определяется необходимой производитель-ностью и с учётом значительной разветвлённости и протяжённости

218

горных выработок современных шахт составляет величину в не-сколько тысяч кВт.

Расчётная мощность двигателя вентилятора может быть опреде-лена по формуле:

10 3−=ηη В

рP

П

ЗQk , (7.2)

где kз – коэффициент запаса; kз = 1,05 – 1,1 – для осевых вентиля-торов; kз = 1,1 – 1,15 для центро-бежных вентиляторов; Q - пода-ча вентилятора м3/с; Р, - давле-ние вентилятора, Па; ηП ; η В - КПД, соответственно, передачи и вентилятора.

Существенное влияние на работу вентилятора главного проветривания оказывает венти-ляционная сеть, т.е. совокуп-ность всех выработок, по кото-рым проходит воздух под дейст-вием вентиляторной установки.

Эта сеть характеризуется таким параметром, как эквивалентное от-

11

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

Рисунок 7.4 – Вентилятор местного проветривания (общий вид)

219

верстие (А) – такое условное круглое отверстие, сопротивление кото-рого является эквивалентным сопротивлению всей вентиляционной сети шахты:

pQА /38,0= (7.3)

В процессе эксплуатации шахты протяжённость, сечение и ко-

личество горных выработок изменяются, имеют место утечки (пере-токи) воздуха между выработками, не постоянна и естественная тяга. Это обусловливает изменение сопротивления шахтной вентиляцион-ной сети. В то же время, производственная мощность шахты так же может быть различной, может изменяться газовыделение из горных пород, их температура и температура воздуха, входящего в шахту (в различное время года). Все эти обстоятельства обусловливают изме-нение вентиляционного режима шахты и требуют применение регу-лирующих устройств, способных изменять аэродинамическую харак-теристику вентиляторов при поддержании достаточно высокого их КПД.

Наиболее распространено регулирование производительности вентиляторов главного проветривания посредством механических устройств при неизменной частоте вращения ротора вентилятора. Этим обусловлена целесообразность применения синхронных, либо асинхронных двигателей в качестве приводных. Механическое регу-лирование производительности вентиляторов в этом случае произво-дят путём поворота лопаток рабочих колёс осевых вентиляторов, из-менением угла поворота направляющих аппаратов центробежных вентиляторов. Эти способы позволяют выполнить экономичное регу-лирование при незначительном изменении производительности вен-тилятора. Если же существует потребность в глубоком изменении производительности вентилятора, то при условии механического ре-гулирования его рабочая точка переместится в зону низкого КПД, что не будет способствовать экономному энергопотреблению (рис. 7.5). Это подтверждается результатами сравнения энергопотребления вен-тиляторной установки (табл. 7.1) при различных средствах регулиро-вания производительности: изменением угла поворота лопатки на-правляющего аппарата (00 < Θ <700; ω=495 об/мин.); изменением уг-ловой скорости привода (250 об/мин. <ω <495 об/мин.; Θ = 00) [48].

В зависимости от конкретных условий эксплуатации и эконо-мических факторов в горной промышленности применяются сле-

220

дующие виды регулируемых электроприводов вентиляторов главного проветривания шахт.

- синхронный двигатель с высоковольтным преобразователем частоты;

- асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и с пре-образователем частоты (напряжения статора);

- асинхронный двигатель с фазным ротором при управлении по схеме «асинхронный вентильный каскад»;

- асинхронный двигатель з фазным ротором при управлении по схеме «машина двойного питания».

Одна вентиляторная установка шахты может иметь один, или два двигателя в составе одного электропривода.

Таблица 7.1 – Сопоставление параметров энергопотребления

при различных способах регулирования производительности венти-лятора главного проветривания ВЦД47У шахты

Производительность Q, м³/с 225 250 275 300 325 350 375 400 425

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

1750 1763 1813 1875 2030 2100 2250 2500 2920

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

588 750 963 1188 1510 1713 2000 2388 2920

Разность мощностей ΔР, кВт 1163 1013 850 688 520 388 250 113 0

Структура нерегулируемого электропривода вентилятора глав-

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

221

реостатное управление применяется для повышения плавности разго-на. В дальнейшем, роторы двигателей закорачиваются контакторами.

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

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

00

100

200 300

400 600 500 700

300 об/мин. 250 об/мин.

400 об/мин. 350 об/мин.

465 об/мин. 450 об/мин.

495 об/мин. 485 об/мин.

222

Преобразователь частоты устанавливается между цепью ротора

асинхронного двигателя и сетью электропитания. Он осуществляет управление скоростью двигателя путём регулирования мощности

скольжения (что является одним из экономически целесообразных спо-собов регулирования). Кроме этого, уменьшенные в сравнении со ста-торными электрические параметры ротора обусловливают применение в цепи ротора преобразователя час-тоты меньшей стоимости. На рис. 7.7 обозначены: Рм – мощ-ность, потребляемая от сети; Рд – мощность на валу двигателя. При работе в двигательном режиме пре-образователь частоты возвращает мощность скольжения ротора Рр в питающую сеть.

Принцип работы привода по схеме «машина двойного питания»

СЕТЬ 6 кВ, 50 Гц Рм

Вал дви-гателя

Рисунок 7.7 – Структура регули-руемого электропривода системы «машина двойного питания»

Р1=(Рд/ККД)+Рр Рр/ККД

Рисунок 7.6 – Структурная схема нерегулируемого электропривода уста-новки главного проветривания шахта с асинхронными двигателями

Секция 1 Секция 2

6000 В; 50 Гц

1ВКУ1 1ВКУ2 2ВКУ1 2ВКУ2

223

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

ω0 - ωr =2πf s (7.4)

Таким образом, угловую скорость вращения ротора асинхронного двигателя можно поддерживать на заданном уровне введением в ро-торую цепь трёхфазной ЭДС, частота которой будет определять ве-личину скольжения машины.

Практической реализацией способа «двойного электропитания» электрической машины является электропривод вентилятора главно-го проветривания ВЦД-47УР с преобразователями частоты типа «ЭРАТОН-ФР-1600-1150-850» на базе транзисторного автономного

инвертора напряжения (АИН) с синусоидаль-ной широтно-импульсной модуля-цией (рис. 7.8). В со-став преобразователя частоты входят два транзисторных инвер-тора. Трёхфазная цепь одного из них под-ключена к ротору дви-гателя (роторный ин-вертор напряжения), а другого – ко вторич-ной обмотке со-гласующего трансфор-матора (сетевой ин-вертор) через «синус-ный» силовой LC-фильтр.

Секция 1; 6000 В; 50 Гц

1ВКП-1 1ВКП-21ВКП-3

фильтр фильтр

Рисунок 7.8 – Структура электропривода венти-лятора главного проветривания с преобразовате-лем частоты «ЭРАТОН-ФР»

224

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

ДТ

СИФУ Датчики тока

БАУ

Сеть 6000 В; 50 Гц

R M

VS1

VS2

VD3-VD4

VD1-VD2

Рисунок 7.9 – Схема устройства тиристорного возбу-ждения синхронного двигателя

+ Rp _

TV1

Управляемый выпрямитель

225

В электроприводах вентиляторов главного проветривания с син-хронными двигателями большой мощности должна быть корректно решена задача ввода двигателя в синхронизм в процессе пуска, кото-рый затруднён чрезмерно большим моментом инерции машины из-за большой массы ротора. В связи с этим применяются различные схе-мы возбуждения синхронных двигателей. Ввод синхронного двигате-ля в синхронизм может быть рассмотрен на примере схемы тири-сторного автоматического возбудителя (рис. 7.9).

В начале пуска двигателя возбуждение в состоянии неподвиж-ного ротора – максимально, ЭДС обмотки достаточна для отпирания стабилитрона VD1 или VD4. В связи с этим на электрод управления тиристора VS1 или VS2 подаётся напряжение, что приводит к отпира-нию указанного тиристора и созданию цепи протекания тока обмотки возбуждения двигателя М через резистор R. Начинается процесс асинхронного пуска синхронного двигателя М. В процессе разгона угловая скорость ротора возрастает до подсинхронной, а ЭДС обмот-ки возбуждения уменьшается настолько, что отпирание стабилитрона VD1 или VD4 прекращается. Тиристор VS1, или VS2 так же запирает-ся, и в этот момент начинается работа управляемого выпрямителя, который подаёт постоянный ток в обмотку возбуждения синхронного двигателя и этим вводит его ротор в синхронизм.

С целью автоматического поддержания постоянного коэффици-ента активной мощности сети применяют обратную связь по реак-тивной мощности, что осуществляется с использованием датчиков тока статора двигателя и трансформатора напряжения TV1. Эти сиг-налы обрабатываются в блоке автоматического управления (БАУ), на выходе которого формируется напряжение задания величины угла отпирания тиристоров управляемого выпрямителя. Этот сигнал отра-батывается системой импульсно-фазового управления (СИФУ), кото-рая по 6-и каналам воздействует на моменты отпирания соответст-вующих тиристоров выпрямителя.

Поддержание постоянства тока возбуждения синхронного дви-гателя достигается обратной связью по току возбуждения от датчика тока ДТ. Задание величины тока возбуждения может быть выполнено потенциометром Rp, который так же предназначен для управления параметрами привода вручную.

226

7.3 Электропривод компрессорных установок

В зависимости от особенностей горно-геологических условий в отдельных горнах выработках и, даже, на отдельных шахтах не пред-ставляется возможным применение электрифицированных горных машин (очистных комбайнов и добычных комплексов, в целом). Это, прежде всего, относится к очистным работам на угольных пластах крутого падения, где добыча угля и сегодня ведётся отбойными мо-лотками с использованием пневматической энергии, Кроме этого, по-требителями пневматической энергии являются гировозы (локомоти-вы, источником движения которых является кинетическая энергия вращения маховика со значительным моментом инерции, который во вращающееся состояние приводится потоком сжатого воздуха), эр-лифтные установки в шахтах с гидравлическим способом транспор-тирования горной массы на поверхность и некоторые другие техноло-гические установки. Источниками пневматической энергии являются компрессоры, которые можно разделить на поршневые машины и турбокомпрессоры. Мощность электродвигателя компрессора опре-деляется выражением [11]:

ηη ПK

ПК

QАР = , (7.5)

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=

−n

n

П ppVpА nn 1

11 121/ , (7.6)

где АП – работа, которая расходуется на сжатие воздуха при полит-ропном процессе; ; n – политропный показатель, определяемый из выражения: constpV n = ; р1 и р2 – соответственно, начальное и конеч-ное давление воздуха; V1 – начальный объём воздуха при всасывании; Q – производительность (подача) компрессора; ηК – индикаторный КПД компрессора, учитывающий потери в нём в реальном процессе; ηП – КПД механической передачи между двигателем и компрессором.

Выбранный двигатель должен иметь мощность, не меньшую, чем рассчитанная по формуле (7.5). Статическая загрузка поршневого компрессора определяется силой, действующей на поршень:

F=ΔpS, (7.7)

227

где Δp – разность между выходным и входным давлением на пор-шень; S – площадь поршня.

В кривошипном механизме поршневого компрессора момент сопротивления на валу носит пульсирующий характер:

МОП = ΔpSRsinωt, (7.8)

где R – радиус кривошипа; ω – угловая скорость вала компрессора.

Амплитудное значение момента сопротивления определяется выражением:

МОПmax = ΔpSR (7.9)

С целью уменьшения пульсирующего воздействия момента со-противления поршневые компрессоры оснащают маховиками, либо применяют электродвигатели с повышенными моментами инерции.

Производительность работы компрессорных установок, как пра-вило, регулируют: изменением угловой скорости вала компрессора; изменением количества параллельно работающих компрессоров при постоянной угловой скорости каждого из них; дросселированием на входе компрессора.

Электропривод поршневых компрессоров с нерегулируемой скоростью, как правило, является безредукторным и оснащается асинхронными, либо тихоходными синхронными двигателями. Тур-бокомпрессоры отличаются высокой угловой скоростью вращения вала. Они оснащаются высокоскоростными асинхронными, либо син-хронными двигателями и предусматривают мультипликаторную (по-вышающую) механическую передачу между двигателем и рабочим органом.

Широко распространённый ранее способ регулирования режи-мов работы турбокомпрессора дросселированием во всасывающем трубопроводе с одновременной работой его «на выхлоп» в атмосферу является неэкономичным. Поэтому предпочтение следует отдавать способам регулирования угловой скорости приводного электродвига-теля (частотное управление). В некоторых случаях для регулирования скоростного режима турбокомпрессора в качестве приводного двига-теля применяют асинхронный двигатель с фазным ротором, создавая систему «машина двойного питания», аналогичную описанной в п.7.2 (рис. 7.7).

228

Вопросы для самоконтроля

1. В чём состоит назначение, устройство и область применения на-сосов главного и местного водоотливов шахты?

2. В чём состоит назначение, устройство и область применения вентиляторов главного и местного проветривания шахты?

3. В чём состоит назначение, устройство и область применения шахтных поршневых компрессоров и турбокомпрессоров ?

4. Какое электрооборудование применяется для коммутации сило-вых высоковольтных цепей электроприводов насосных устано-вок?

5. В чём состоят преимущества регулирования производительно-сти вентилятора главного проветривания путём изменения угло-вой скорости приводного электродвигателя?

6. Раскрыть принципы применения асинхронного электропривода (двигатели с фазным ротором) в качестве регулируемого элек-тропривода шахтной вентиляторной установки.

7. В чём состоят особенности построения и работы схемы «маши-на двойного питания» применительно к электроприводам шахт-ных стационарных установок?

8. Каковы области применения синхронных двигателей примени-тельно к электроприводам шахтных стационарных установок? Как осуществляется управление пуском и разгоном синхронного двигателя, регулирование его скоростных параметров?

9. Как определяются расчётные величины мощностей электродви-гателей шахтных стационарных машин и установок?

229

РАЗДЕЛ 8 БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

МАШИН И УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ Учебной целью раздела является рассмотрение основных поло-

жений нормативных документов, которыми регламентированы принципы, организационные и технические решения относительно безопасной эксплуатации, ремонтных и наладочных работ в элек-троприводах машин и установок шахт и рудников.

8.1 Требования безопасности к системам управления и электроснабжения электроприводов забойных машин

В соответствии с Правилами безопасности в угольных шахтах

[49;50] все очистные (забойные) машины должны подключаться к се-ти с помощью магнитных пускателей или специальных комплектных устройств управления (КУУ). Управление этими аппаратами должно осуществляться дистанционно с пультов, расположенных на самих машинах, или вблизи их. Машины с многодвигательным приводом, для управления которым предусмотрены КУУ или ручные коммута-ционные устройства, должны подключаться к сети посредством пус-кателей с дистанционным управлением. Для подачи напряжения на забойные машины в шахтах, опасных по газу или пыли, должны при-меняться пускатели и КУУ с искробезопасными цепями управления [49:51]. Схема управления пускателями, предназначенными для по-дачи напряжения на забойные машины, должна обеспечивать: защиту от минимального напряжения; автоматический контроль заземления корпуса машины; защиту от самопроизвольного включения пускателя при замыкании в проводниках управления, электрическое блокирова-ние, которое исключает подачу напряжения на машину при аварий-ном состоянии изоляции.

Запрещается применять: однокнопочные посты для управления магнитными пускателями кроме случаев, когда эти посты предназна-чены только для отключения; схемы, допускающие пуск или подачу напряжения на них одновременно от двух и более пультов управле-ния.

230

Перед выполнением ремонтных и вспомогательных работ на подвижных частях машин напряжение должно быть снято и приняты меры, исключающие внезапный пуск машины.

Система управления машиной или комплексом машин должна обеспечивать безопасное управление из мест, обусловленных конст-рукцией машины (комплекса) и принятой технологической схемой ведения горных работ, как в нормальном режиме эксплуатации, так и при ремонте, техническом обслуживании.

Система управления должна обеспечивать: включение машины (подачу напряжения) кратковременным воздействием на орган управления; подачу предупредительного сигнала перед началом ра-боты машины; оперативную остановку машин и механизмов и от-ключение питания; аварийное отключение машины (комплекса); осуществление всех блокировок, связанных с технологией работы, а также предусмотренных для обеспечения безопасности эксплуатации машины (комплекса).

В случае необходимости управления машиной из разных мест допускается наличие нескольких пультов при условии применения устройства для передачи управления с одного пульта на другие.

В системе управления машинами забойного комплекса все сред-ства контроля и защиты от возникновения производственных опасно-стей, связанных с включением машин или подачей напряжения, должны включаться в работу до пуска машин и до подачи (появле-ния) напряжения в месте, где может возникнуть производственная опасность. При наличии в системе управления нескольких аварийных выключателей с дистанционным отключением они должны отклю-чаться одновременно по команде с одного органа управления.

Забойные машины с несколькими рабочими органами, общая работа которых технологически не допускается или не предполагает-ся, должны иметь блокировочные устройства, которые запрещают одновременное включение этих рабочих органов.

При дистанционном или автоматическом управлении машиной, в том числе, при управлении по радио из любого расстояния, должно предусматриваться также и управление с пульта, размещённого на машине, в режимах отладки, испытания и ремонта.

Все элементы схемы управления (кнопки, выключатели, реле и т.п.), которые обеспечивают аварийное или оперативное снятие на-пряжения, остановку машин и механизмов, прекращение движения машин и их рабочих органов, защиту от опасных режимов работы,

231

должны работать на размыкание цепи управления. Внешние цепи схем управления аппаратами, предназначенными для подачи напря-жения на электропривод машины в шахтах, опасных по газу или пы-ли, должны иметь искробезопасные параметры.

Система управления должна обеспечивать автоматическую по-дачу предупредительного сигнала при воздействии на органы пуска машины или его отдельных частей. Допускается повторное включе-ние без предупредительного сигнала, если промежуток времени после отключения перед повторным включением не превышает 5 с. Для машин, которые выполняют операции путём многоразовых переме-щений, допускается наличие раздельных органов для подачи сигнала и для включения машины при наличии блокирования, которое обес-печивает пуск машины только после подачи предупредительного сигнала необходимой продолжительности и не позднее чем через 10 с после окончания подачи сигнала.

Для машин, которые выполняют циклические движения в авто-матическом режиме (струги, скреперы-струги и т.п.), сигнал должен подаваться автоматически перед первым включением каждого из приводов (струга или конвейера).

Схема управления машинами должна блокироваться с система-ми пылеудаления для исключения работы машины в отсутствие функционирования средств пылеудаления и при нарушении режимов их работы.

Система управления насосными станциями очистного комплек-са должна обеспечивать управление ими с пульта, размещённого на КУУ, и отключение с кнопочных постов, расположенных вдоль лавы. Автоматическая остановка насосной станции должна обеспечиваться при недопустимых утечках из гидросистемы рабочей жидкости и при недостаточном её количестве в баке станции.

В добычных машинах, кроме струговых установок, необходимо предусматривать вблизи режущих органов кнопки с самофиксацией, которые исключают включение комбайна и конвейера лавы при ос-мотре, ремонте и техническом обслуживании рабочих органов. Если пульт управления комбайном находится вблизи режущего органа, то роль такой кнопки могут выполнять кнопки "Стоп" с фиксацией, рас-положенные на общем пульте управления комбайном и конвейером.

На пультах управления добычных машин при применении кон-вейерных средств транспорта должны быть предусмотрены кнопки

232

для остановки забойного конвейера с фиксацией в отключенном со-стоянии.

Электрические схемы управления горными машинами должны предусматривать автоматическое отключение электродвигателей при их опрокиде, стопорении, не состоявшемся пуске.

8.2 Требования безопасности при применении систем

управления отдельными горными машинами

Система управления очистным комбайном, конвейером и пре-дохранительной лебёдкой, функционирующими в едином комплексе, должна обеспечивать: управление комбайном с вынесенного пульта или с пульта, расположенного непосредственно на машине; управле-ние конвейером с пульта комбайна и с местоположения пунктов раз-грузки (перегрузки); оперативное отключение конвейера и блокиро-вание его включения с кнопочных постов, расположенных вдоль ла-вы; автоматическое управление предохранительной лебёдкой в соот-ветствии с направлением подачи комбайна, местное управление в ре-жиме отладки (допускается вместо автоматического управлять лебед-кой с пульта комбайна); дистанционное аварийное отключение ма-шин и механизмов с кнопочных постов, расположенных вдоль лавы, с пульта комбайна и с центрального пульта комплекса; блокирование включения комбайна, конвейера, вынесенного механизма подачи комбайна из зоны расположения режущих органов комбайна; автома-тическую подачу предупредительного сигнала перед включением в работу комбайна, конвейера и предохранительной лебедки.

Очистные комбайны для крутых пластов должны быть оснаще-ны выносными пультами управления (ВПУ). На ВПУ в очистном за-бое должны быть предусмотрены органы управления всеми машина-ми и механизмами, а также органы управления подъёмом и опускани-ем рабочих органов комбайна. При управлении машинами и меха-низмами из штрека на ВПУ, расположенном возле комбайна, должны быть предусмотрены органы аварийного отключения всех машин и механизмов. Система управления комбайном, его подающей частью, предохранительной лебедкой и кабелешлангоподборщиком должна обеспечивать: управление по реверсивной схеме системой подачи, предохранительной лебедкой и кабелешлангоподборщиком с пульта; блокировку включения подачи комбайна до включения в работу его режущих органов; автоматическое управление кабелешлангоподбор-

233

щиком в соответствии с направлением движения; местное управле-ние системой подачи, предохранительной лебёдкой и кабелешланго-подборщиком с пультов, расположенных вблизи указанных машин и механизмов (при выполнении ремонтных работ); аварийное отключе-ние машин и механизмов комплекса с пультов комбайна, а также с пультов лавы (при наличии механизированной крепи); автоматиче-ское включение подачи воды для орошения при работе комбайна по добыче угля и блокировку, которая запрещает его работу при неис-правности или несоответствии параметров системы орошения; управ-ление скоростью подачи комбайна; автоматическую синхронизацию скоростей перемещения комбайна, каната предохранительной лебёд-ки и рабочего органа кабелешлангоподборщика.

Система управления щитовыми агрегатами для крутых пластов должна обеспечивать: автоматическую подачу предупредительного сигнала перед пуском только конвейера-струга; пуск и остановку двигателей конвейера-струга и насосной станции с пульта местного или дистанционного управления; дистанционное или местное управ-ление: скоростью подачи конвейера-струга; положением конвейера-струга относительно боковых пород; управление процессом переме-щения секций крепи с общего пульта или с пультов, расположенных на секциях, сопредельных с теми, которые передвигаются; отключе-ние конвейера-струга с кнопочных постов, расположенных через ка-ждые 10 м по длине забоя,

Схема управления комбайном и предохранительной лебедкой должна обеспечивать автоматический и ручной режимы работы, а также блокировки, которые предотвращают включение лебедки с пульта управления комбайном при его осмотре, отладке и ремонте.

В струговых установках пульты управления должны распола-гаться со стороны выработанного пространства. На центральном пульте управления должны содержаться органы управления стругом, конвейером, насосными станциями, аварийного отключения и изме-нения режимов работы установки (рабочий и наладочный). На пульте помощника машиниста должны находиться органы для отключения струговой установки и конвейера. На выносном пульте должны быть органы управления стругом, конвейером и аварийным отключением.

Система управления струговой установкой должна обеспечи-вать: автоматическое отключение привода струга при подходе рабо-чего органа к конечным положениям; реверсирование привода струга на заданном участке лавы; электрическую блокировку, которая пре-

234

дотвращает: одновременное включение струга или конвейера с не-скольких мест; блокировку, включения струга и конвейера при ре-монте, техническом обслуживании, при задействованном стопорном механизме.

Должна обеспечиваться возможность раздельного управления приводами струга и конвейера с центрального пульта (в режиме ре-монта); оперативное отключение конвейера и блокирование его включения с кнопочных постов, расположенных по длине лавы; от-ключение привода струга с пульта помощника машиниста; дистанци-онное аварийное отключение электроэнергии со всех токоприемни-ков струговой установки, по команде с центрального и выносного пультов управления, а также с кнопочных постов, расположенных вдоль лавы.

Схема управления забойным скребковым конвейером должна обеспечивать раздельное включение верхнего и нижнего приводов. Отключение конвейера должно быть предусмотрено по команде уст-ройств, размещённых по длине лавы, расстояние между которыми не должно превышать 10 м.

Вблизи приводных блоков забойных конвейеров может быть предусмотрена кнопка с фиксацией (блокировочная) для создания команды на остановку конвейеров, а в случае необходимости - недо-пущения их пуска. Для присоединения этой кнопки на всех электро-двигателях, которыми комплектуют конвейеры, должны быть преду-смотрены дополнительные кабельные вводы. В качестве блокировоч-ной может использоваться кнопка "Стоп конвейера" абонентской станции при её расположении непосредственно рядом с приводным блоком конвейера.

В проходческих комбайнах кнопки "Стоп" с фиксацией, которые предназначены для блокирования пуска в ход комбайна при его ос-мотре и при выполнении вспомогательных операций вблизи комбай-нов, должны находиться с обеих сторон машины. Проходческие ком-байны выборного действия должны быть оборудованы кнопкой "Стоп" с фиксацией. Местонахождение кнопки должно обеспечивать возможность наблюдения за положением исполнительного органа. Проходческие комбайны с роторным исполнительным органом должны быть оборудованы вынесенной кнопкой "Стоп" с фиксацией.

Для защиты электросети и рудничных электродвигателей от пе-регрузки применяется аппарат контроля типа "КОРД", что обеспечи-вает защиту электродвигателей горных машин при опрокиде и не со-

235

стоявшемся пуске, при обрыве фазы и контролирует работу двигателя по величине потребляемого тока (от 24 А до 500 А).

В процессе эксплуатации забойных машин возникает необходи-мость экстренного отключения всех машин комплекса. Это происхо-дит в случае, когда магнитные пускатели (фидеры КУУ) выходят из строя, и машину невозможно остановить, например, при взаимном заклинивании комбайна и конвейера негабаритными предметами, при возникновении пожара, внезапном выбросе и загазовывании забоя, стопорении комбайна, других авариях и опасных состояниях.

Для таких случаев средства отключения должны создавать при-нудительный, например пружинный или ручной, разрыв силовых контактов. В системе электроснабжения забойных машин такой вы-ключатель должен быть рассчитан на разрыв суммарного тока, кото-рый складывается из тока наиболее мощного электродвигателя при неподвижном роторе и номинальных рабочих токов других электро-двигателей. Для машин с несколькими электродвигателями, которые работают на один общий вал или цепь, выключатель должен быть рассчитан на отключение суммарного тока всех одновременно засто-поренных электродвигателей. Аварийный выключатель с ручным управлением должен отключаться от одного движения рукоятки.

Для машин с многодвигательным приводом (погрузочные ма-шины, проходческие комбайны, угольные комбайны), которые имеют штепсельное присоединение кабелей, КУУ и дистанционное управ-ление пускателем, подающим напряжение, применение средств ава-рийного отключения не является обязательным. Отсутствие выклю-чателей для отключения в аварийных режимах компенсируется нали-чием в цепях питания каждого электродвигателя двух последователь-но соединенных контакторов - магнитного пускателя и КУУ машины. В этом случае контактор пускателя, как правило, работает без нагруз-ки и потому он обеспечивает надёжное отключение электроэнергии с силовых цепей двигателя машины.

Аварийное отключение с помощью ручных выключателей за-бойных конвейеров, комбайнов, которые эксплуатируются на крутых пластах и управляемых дистанционно или с вынесенных пультов, - не возможно, поскольку в этих случаях пульт управления отдален от машины. Для таких машин применяют выключатели с дистанцион-ным отключением. В механизированных добычных комплексах от-ключение в аварийных режимах предполагается с пульта комбайна и постов связи по лаве. Безотказность работы выключателя с дистанци-

236

онным отключением может обеспечиваться самоконтролем исправ-ности схемы управления, т.е., любые неисправности схемы приводят к отключению выключателя. Необходимость экстренного отключе-ния электроэнергии обусловливает обязательное расположение орга-нов управления выключателем на одном пульте с органами управле-ния машиной.

В связи с большой энерговооруженностью механизированных забойных комплексов возникает необходимость распределения элек-тропитания машин, что решается установкой нескольких фидерных выключателей. В этом случае система управления машинами должна быть выполнена таким образом, чтобы их отключение проводилось одновременно от одного органа управления.

Наряду с применением выключателей с дистанционным отклю-чением обязательным является оснащение выемных машин ручными разъединителями с целью надежного разъединения питающей маши-ну электрической цепи при отключенном напряжении и этим - созда-ния безопасных условий для осмотра и ремонта. Наличие ручного разъединителя не требуется для струговых установок и очистных комбайнов, в которых предусмотрены устройства для проворачива-ния рабочих органов без подачи напряжения на машину или обеспе-ченно проворачивание исполнительных органов вручную. Кабели к этим машинам должны подключаться с помощью электрического со-единителя, установленного в удобном для монтажа и демонтажа мес-те.

Выполнение схемой управления функций контроля заземления предусматривает постоянное электрическое присоединение её источ-ника питания через заземляющую жилу кабеля к корпусам передвиж-ных машин, электроаппаратуры распределительного пункта участка и к заземляющему электроду. Вывод потенциала от трансформатора питания схем управления за пределы корпуса машин и электрообору-дования может быть причиной искрения при обрыве заземляющей жилы кабеля и проводников схемы местного заземления. В связи с этим в шахтах, опасных по газу или пыли, схемы управления, соеди-ненные с цепями заземления, должны быть искробезопасными [49; 51].

237

Вопросы для самоконтроля

1. Какие виды защит должны обеспечивать схемы управления пускателями, предназначенными для подачи напряжения на забойные машины?

2. Возможно ли применять однокнопочные посты для управления магнитными пускателями? Если возможно, то в каком случае?

3. Возможно ли выполнять пуск машины, или подачу напряжения на неё по команде от двух и более пультов управления?

4. Какие функциональные требования предъявляются к системам управления горной машиной?

5. Каковы требования к элементам системы управления при ава-рийной или оперативной остановке горных машин?

6. В чём состоят требования к системам управления горными машинами в части автоматической подачи предупреждающего сигна-ла?

7. С какой целью предусматривается блокирование схемы управ-ления горными машинами и их системами управления?

8. В чём состоят требования безопасности, которые относятся к функционированию системы управления очистным комбайном, кон-вейером и предохранительной лебёдкой, работающими в едином комплексе?

9. Каковы особенности требований безопасности к системам управления очистными комбайнами для крутых пластов?

10. Где должен бать расположен пульт управления струговой ус-тановкой?

11. На каком расстоянии должны бать размещены в лаве устрой-ства для отключения скребкового конвейера?

12. Где размещаются кнопки «Стоп» с фиксацией на проходче-ских комбайнах и каково их назначение ?

13. Каким образом выполняется схемой управления машиной контроль состояния её заземления?

238

Приложение 1 Параметры асинхронных двигателей электроприводов горных машин и установок (номинальное напряжение Uн = 660В)

Параметр Типы асинхронных двигателей (схема статора «Y»; число пар

полюсов р=2; синхронная угловая скорость ωо=1500 об/мин.) ЭКВ2.5-30 АИУМ255М4 2ЭКВ3.5-90 2ЭДКОФ250LВ4

Rs, Ом 0.3171891 0.2931056 0.1951472 0.0571812 Rr, Ом 0.36896903 0.34982824 0.11063811 0.0685131 Ls. Гн 0.00206216 0.0029708 0.00092593 0.00063221 Lr. Гн 0.00206216 0.0029708 0.00092593 0.00063221 Lm. Гн 0.02926934 0.0785055 0.01903933 0.0201918 Мп. Hм 196.9 372.5 588.9 713.2 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 Типы асинхронных двигателей (схема статора «Y»; число пар полюсов р=2; синхронная угловая скорость ωо=1500 об/мин.)

ЭКВ4-140 ЭКВ3.5-180 ЭКВЭ4-200 2ЭКВ4УС2 Rs, Ом 0.1099506 0.1427215 0.097247 0.090811 Rr, Ом 0.08709377 0.11254143 0.07972966 0.05757149 Ls. Гн 0.00051935 0.0003729 0.00045153 0.00032833 Lr. Гн 0.00051935 0.0003729 0.00045153 0.00032833 Lm. Гн 0.01697345 0.01354664 0.01094188 0.01152495 Мп. Hм 920.8 1217.9 1334.7 1450 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

239

Приложение 2 Электромеханические характеристики асинхронных двигателей

с водяным охлаждением электроприводов горных машин

Параметр Типы асинхронных двигателей (режим работы по 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/мин 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 частоты тока. Гц

-

-

2,5 - 100 2,5 - 150

Параметр Типы асинхронных двигателей (режим работы по 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

240

Приложение 3 Технические характеристики двускоростных асинхронных дви-гателей (номинальное напряжение сети– 1140 В) Тип Мощ-

ность, кВт

Угловая ско-рость, номи-нальная, об/мин.

КПД, %

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

Приложение 4

Устройства вентильного каскада взрывозащищённые, рудничные УВКВ-250 У5 Назначение – управление асинхронным двигателем с фазным рото-ром по системе асинхронного вентильного каскада для электропри-вода подъёмных машин, конвейеров, монорельсовых дорог и других машин в шахтах, опасных по газу (пыли).

Наименование параметра Величина Номинальное напряжение сети, В 660 Частота сети, Гц 50 Максимальная мощность двигателя, кВт 250 Номинальный ток нагрузки, А 320 Диапазон регулирования скорости 1…20 Точность поддержания скорости, % 10 Режим работы продолжительный Охлаждение при мощности двигателя до 160 кВт Воздушное, естественное Охлаждение при мощности двигателя, более 160 кВт

Водяное, принудительное

241

Приложение 5 Технические характеристики рудничных полупроводниковых

силовых преобразователей

Преобразователь частоты ПЧВ-250 У5 взрывобезопасный пред-назначен для управления и защиты асин-хронного короткозамкнутого двигателя под-земной подъёмной машины мощностью до 250 кВт в сети напряжения 660 В частоты 50 Гц.

Преобразователь частоты ПЧВ-К У5 взрывобезопасный предназначен для регу-лирования скорости и защиты асинхронных короткозамкнутых двигателей приводов горных машин суммарной мощностью до 500 кВт в сети напряжения 660 В частоты 50 Гц. Наименование параметра Тип преобразователя

ПЧВ-250 ПЧВ-К У5 Величина Величина

Номинальная мощность нагрузки, кВт

250 132; 160; 200; 315; 400; 500

Кратность перегрузки по току (60с)

1,5

Допустимая суммарная мощность двигателей на-грузки, кВт

250 500

Диапазон регулирования частоты, Гц

1 … 50 0…200

Функции общие Плавный пуск и регулирование частоты вращения приводного двигателя

Функции отличительные Автоматическое поддержание заданной угловой скорости приводного двигателя при изменении статической на-грузки Бесконтактное ревер-сирование приводного двига-теля. Электрическое тор-можение двигателя с рекупе-рацией энергии в сеть

Автоматическое поддержание задан-ной производитель-ности технологиче-ской установки пу-тём регулирования её скоростного ре-жима

ПЧВ-250

242

Приложение 6 Техническая характеристика рудничного полупроводникового силового преобразователя УКЧВ-132

Назначение – плавное регули-рование скорости асинхронного короткозамкнутого двигателя скребковых конвейеров, канатно-кресельных дорог, вентиляторов, приводов подачи очистных ком-байнов. Устройство обеспечивает плавный пуск двигателя с разгоном до заданной угловой скорости при ограничении потребляемого тока, продолжительную работу двигате-ля на пониженной скорости, в т.ч. на одной из 8-ми запрограммиро-ванных скоростей, работу в режиме пускателя; управление работой группы асинхронных двигателей

Наименование параметра Величина Номинальное напряжение сети, В частоты 50 – 60 Гц 660 Максимальная мощность двигателя, кВт 132 Диапазон регулирования выходной частоты, Гц 3 … 60 Программное задание темпа разгона и торможения, с 1 …250

Приложение 7 Техническая характеристика устройства управления тиристор-ного взрывозащищённого серии УКТВ

Назначение - обеспечение дистанционного плавного управляе-мого пуска продолжительностью от 1 с до 15 с; динамического тор-можения и отключения асинхронного двигателя горной машины. Применение устройства позволяет исключить из системы гидромуф-ту как один из наиболее не надёжных элементов привода. Количество пусков привода от УКТВ – 6 в час. Тип Напряжение сети, В Общая мощность нагрузки, 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

243

Приложение 8

Техническая характеристика аппаратов серии АПМ 1 управления пуском электропривода горной машины

Аппараты серии АПМ 1 предназначены для плавного управляе-

мого пуска асинхронных электроприводов горных машин, плавного торможения приводных асинхронных двигателей в индукционно-динамическом режиме с возможностью задания тормозного момента.

Область применения: - аппарат АПМ1У – однодвигательные и двухдвигательные

электроприводы шахтных ленточных конвейеров (в составе привода – асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором);

- аппарат АПМ1У.П – электроприводы шахтных ленточных конвейеров; канатно-кресельных дорог, насосных станций (в составе привода - асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором);

- аппарат АПМ1У.К электроприводы горных машин с тяжё-лыми условиями пуска, переменным характером нагрузки, глубоким регулированием скорости (скребковые и ленточные конвейеры моно-рельсовые дороги; насосные станции). Наименование регламенти-рованного параметра

Тип аппарата АПМ1У АПМ1У.П АПМ1У.К

Номинальное напряжение, В 660/1140 Номинальный ток, А 400/250 250 Номинальная мощность дви-гателя потребителя, кВт

400/250

Продолжительность пуска, с 5; 10; 15; 20 0 … 20 0 … 20 Диапазон регулирования по-ниженной скорости, % от ωном

не предусмотрено

0 … 30

Количество пусков в час с интервалом 1 мин.

6 - 8

Количество пусков в рабо-чую смену

30

244

Приложение 9

Техническая характеристика комплекта взрывобезопасного EZSO для плавного пуска («soft-start») электроприводов

Схема EZSO представляет собой комплект пускателей в сово-

купности с двумя тиристорными регуляторами напряжения. Этот комплект предназначен для управления плавным пуском в функции «soft-start» электроприводов, плавным выбегом асинхронных двига-телей с короткозамкнутым ротором и их динамическим торможением [31]. По окончании заданной продолжительности пуска контактором шунтируются полупроводниковые ключи в фазах тиристорных регу-ляторов напряжения.

Параметр EZSO1 P04 EZSO2 Номинальное напряжение сети, В 660/1140 Максимальный ток нагрузки, А 4х200, или 2х400 2х200, или 1х400 Диапазон заданной продолжительно-сти пуска. с

1 ...25 Продолжительность броска тока –

0,1 ... 5 с Диапазон заданной продолжительно-сти торможения. с

1 ...25

Максимальное ограничение тока. А 4х1000,или 2х2000 2х1000, или1х2000

Приложение 10

Технические характеристики рудничного устройства УВППД-315 плавного пуска в функции «soft-start» электроприводов

Наименование параметра Значение параметра

Номинальное линейное напря-жение, В

1140 / 660

Номинальный ток, А 315 Максимальная мощность управляемого электродвигате-ля, кВт

474 / 274

Заданная продолжительность плавного пуска двигателя, с

5 - 30

245

Приложение 11

Техническая характеристика устройств плавного пуска взрывозащищённых УПП

Назначение - управление пуско-

выми режимами асинхронных двига-телей с короткозамкнутым ротором в электроприводах горных машин. Ос-новная область применения – элек-троприводы шахтных ленточных кон-вейеров [52].

Схема УПП представляет собой силовой тиристорный коммутатор с микропроцессорной системой управ-ления, Устройство выполнено в руд-ничной взрывозащищённой оболочке, оснащено полным комплектом технологических защит. Подключается между магнитным пускателем и статором асинхронного двигателя.

Основные технические свойства: - автоматический выбор и выполнение оптимальной програм-

мы разгона асинхронного электропривода в зависимости от уровня его нагрузки;

- поддержание пониженной (ремонтной) скорости привода в обоих направлениях;

- выполнение режимов форсированного и прямого пусков асинхронного двигателя;

- энергонезависимая память всех событий с отметками време-ни;

- контроль входных и выходных параметров сети; - возможность обмена информацией с другим оборудованием

по интерфейсу RS-485. Технические характеристики устройств УПП

Тип Напряжение се-

ти, В Номинальный ток

нагрузки, А Мощность дви-гателя, 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

246

Приложение 12 Техническая характеристика комплекса КПА (программно-аппаратного) для управления и защиты подземных подъёмных машин (ППМ)

Комплекс предназ-начен для управления, за-щиты, сигнализации и ди-агностики оборудования подземных подъёмных ма-шин в условиях угольных шахт, опасных по газу и пыли и имеет исполнения:

- по типу главного привода – АД с фазным ротором с жидкостным реостатом, или АД с ко-роткозамкнутым ротором и ПЧ;

- по типу системы торможения – гидравлическая, или пневма-тическая.

Функции: - управление скоростью главного привода шахтной ППМ воз-

действием на преобразователь частоты, или жидкостный реостат; - управление рабочим тормозом; - управление предохранительным тормозом; - технологические блокировки и защиты.

Визуализация и передача информации: - положение сосуда на пути перемещения; - скорость и направление движения сосуда; - величина напряжения сети; - величина тока главного привода; - величина давления рабочего тела в тормозной системе; - состояние коммутационных аппаратов, датчиков и контроль-

ных цепей; - снятие предохранительного тормоза; - срабатывание защит; - срабатывание блокировок, препятствующих выполнению ос-

новных технологических функций.

247

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мартынов М.В. Автоматизированный электропривод в гор-ной промышленности: учебник [для студентов высших учебных заве-дений] / 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 ву-зов] / 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 ву-зов] / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов.- М.: Высшая шко-ла, 1979.- 288 с.

7. Тиристорный электропривод рудничных и взрывозащищен-ных электроустановок: справоч. пособ./ Б.Л. Коринев, А.А. Дубин-ский, 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 транс-порта / [Н.И. Стадник, В.Г. Ильюшенко, С.И. Егоров и др].- К.: Техніка, 1992.- 438 с.

10. Аппарат управления пуском электропривода горной маши-ны 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.

248

12. Тиристорне преобразователи напряжения для асинхронно-го електропривода / [Петров Л.П., Андрющенко О.А., Капинос В.И. и др.]. - М.: Энергоатомиздат, 1986.- 200 с.

13. Леусенко А.В. Скребковые конвейеры: [справочное посо-бие] / [Леусенко А.В., Высоцкий Г.В. Эйдерман Б.А.]. - М.: Недра,- 1993. – 221 с.

14. Савицкий В.Н., Митрохин В.Л. Взрывозащищённое уст-ройство 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 регулю-вання 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 со-стояний 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 за-щитного 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, экс-плуатация 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 автомати-зация шахтных подъёмных установок / Гальперин И.Я, Бежок В.Р. - М.: Недра, 1984.- 220 с.

20. Машиностроение и техносфера ХХI века // Сб. трудов ме-ждународной 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. Во-лотковского. К.: Вища школа, 1980.- 448 с.

22. Маренич К.М. Електрообладнання технологічних устано-вок гірничих підприємств: [підруч. для студентів вищих навч.

249

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 учеб-ных 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 маши-ны. 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 аппа-рата 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. Инст-рукция 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 им-пульсно-фазового управления тиристорным регулятором напряжения / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан, В.Н. Пименов

250

(СССР).- 4341676/24-07; заявл. 11.12.1987; опубл. 30.08.1989, Бюл. 32.

34. Чугреев Л.И. Динамика конвейеров с цепным тяговым ор-ганом / 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.- До-нецьк: Норд Комп’ютер, 2006.- 669 с.

36. Кириленко В.И. Разработка и внедрение взрывозащищён-ных жидкозаполненных электродвигателей / Кириленко В.И., Вве-денская 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 ме-ханизмов 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 электриче-ской 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 сило-вые полупроводниковые элементы // Белошистов А.И., Савицкий В.Н. Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. Укр-НИИВЭ. – Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2004. – С. 78-83.

42. Колосюк В.П. Токи утечки на землю в системе электро-снабжения комбайнов с регулируемым приводом / Колосюк В.П., Товстик Ю.В. // Уголь Украины. – 2005. – 6. – С. 35-39.

43. Маренич К.Н. Создание частотно-регулируемого асин-хронного электропривода добычного комбайна как обусловливаю-щий фактор повышения его надёжности и производительности / Ма-ренич К.Н., Дубинин С.В., Бурлака А.Н., Локтионов Г.Л. http://masters.donntu.edu.ua/2009/eltf/makarov/library/article2.htm

44. Справочник по шахтному транспорту / под ред. Г.Я. Пей-саховича, И.П. Ремизова. -М.: Недра, 1977. - 624 с.

251

45. Шахтный подземный транспорт [cправоч. изд. - в 2-х т. – Шахтный локомотивный и рельсовый транспорт] /Ю.Ф. Бутт, В.Л. Дебелый, Л.Л.. Дебелый, А.Н. Коваль, А.Л. Фурман, В.М. Щука, // под общей ред. Б.А. Грядущего.-Т1.- Донецк: «ВИК», 2009.- 474 с.

46. Ставицький В.М. Асинхронний вентильний електропривод шахтного акумуляторного електровоза: дис. … кандидата техн. наук: 05.09.03 / Ставицький Володимир Миколайович. – Донецьк, 2002 – 156 с.

47. Мнускін Ю.В. Вентильний реактивний двигатель з про-грамним формуванням вихідних характеристик: дис. ... кандидата техн. наук: 05.09.01 / Мнускін Юрій Віталійович.- Донецьк, 2005.- 221 с.

48. Иванов В.В. Регулируемый электропривод для центробеж-ного 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 енерге-тики 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 взры-возащищённые типа УПП-ХХ-ХХХ http://www.remo.com.ua/manual.pdf

252

МАРЕНИЧ Костянтин Миколайович ТОВСТИК Юрій Васильович

ТУРУПАЛОВ Віктор Володимирович ВАСИЛЕЦЬ Святослав Володимирович

ЛІЗАН Ігор Ярославович

АВТОМАТИЗОВАНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД МАШИН І УСТАНОВОК ШАХТ І РУДНИКІВ

Навчальний посібник (російською мовою)

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

Підписано до друку 09.10.2015 р. Формат 60×841/32. Папір крейдований. Гарнітура"Newton". Друк – лазерний. Обл.-вид. л. 8,05. Ум. друк. арк. 7,27. Замовлення 1115. Тираж 500 прим.

Видавництво: ТОВ "Технопарк ДонДТУ "УНІТЕХ"

Свідоцтво про внесення видавця до Державного реєстру суб'єктів видавничої діяльності – ДК 1017 від 21.08.2002

Тел.: +380 (66) 029-44-30 Ел. пошта: m-lab@ukr.net

Віддруковано у друкарні ТОВ "Норд Комп’ютер" на цифрових лазерних видавничих комплексах

Rank Xerox DocuTech 135 і DocuColor 2060 Тел.: +380 (62) 389-73-82, 389-73-86

Ел. пошта: nordpress@gmail.co

Товстик Юрий Васильевич, начальник отдела соответствия техническим регламентам

ГП «Донецкий экспертно-технический центр Гоструда», в 2012 г. - заведующий лабораторией отдела электрооборудо-

вания Государственного Макеевского НИИ по безопасности работ в горной промышленности, доцент кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» Донецкого

национального технического университета (г. Донецк), кандидат технических наук, с.н.с., доцент

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

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

Василец Святослав Владимирович, 2010-2014 гг. – доцент кафедры «Горная электротехника

и автоматика им. Р.М. Лейбова» Донецкого национального технического университета (г. Донецк),

кандидат технических наук (2010 г.), доцент (2014 г.)

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