Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников


АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙЭЛЕКТРОПРИВОД МАШИН И УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ

Учебное пособие
















Москва   Вологда
«Инфра-Инженерия» 2021

УДК 622-1/-9
ББК 33.21
     А18


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


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Шкрабец Ф. П.; доктор технических наук, профессор Жуков С. Ф.; доктор технических наук, профессор Кузнецов Б. И.







А18 Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников : учебное пособие / [К. Н. Маренич и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 232 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0727-4


     Рассмотрены основные положения общей теории электропривода. Показаны принципы построения и функционирования автоматизированных электроприводов шахтных подъемных установок, конвейерного транспорта, добычных и проходческих машин, локомотивного транспорта и шахтных стационарных установок. Освещены вопросы расчета мощности двигателей и безопасности эксплуатации электроприводов горных машин.
     Для студентов, изучающих горное дело. Издание может быть полезно специалистам горнодобывающих предприятий.
                                                      УДК622-1/-9
                                                      ББК33.21








ISBN 978-5-9729-0727-4

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

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 расчета переходных процессов........................14
    1.4. Приведение статических моментов и усилий в электроприводе.18
    1.5. Электромеханические свойства двигателей постоянного тока..20
    1.6. Электромеханические свойства асинхронных двигателей.......23
    1.7. Каскадные схемы регулирования скоростных режимов работы асинхронных двигателей.....................................32
    1.8. Электромеханические свойства синхронных двигателей........36
    1.9. Способы торможения электродвигателей......................38
    1.10. Принципы построения систем управления электроприводами...49
    1.11. Средства управления скоростными режимами электродвигателей.... 60
    1.12. Динамика пуска асинхронного двигателя. Методы повышения плавности разгона асинхронного двигателя...71

РАЗДЕЛ 2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ И РАСЧЁТ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ....................................................85
    2.1. Общая характеристика режимов работы электродвигателей.....85
    2.2. Принципы выбора электродвигателя с учетом специфики типовых режимов работы..................89

РАЗДЕЛ 3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ УСТАНОВОК........................................99
    3.1. Общие сведения о системах электропривода шахтного подъема.99
    3.2. Устройство и особенности функционирования установок шахтного подъема с электроприводом постоянного тока.......103
    3.3. Устройство и особенности функционирования установок шахтного подъема с частотно-управляемыми двигателями.......113
    3.4. Устройство и особенности функционирования установок шахтного подъёма при применении асинхронных двигателей с фазным ротором..........................................117

РАЗДЕЛ 4. ЭЛЕКТРОПРИВОД КОНВЕЙЕРНОГО ТРАНСПОРТА....................128
    4.1. Особенности устройства и эксплуатации ленточных конвейеров 128
    4.2. Применение тиристорных регуляторов напряжения в устройствах управления пусковыми режимами асинхронных электроприводов ленточных конвейеров..........136

3

    4.3. Устройство и особенности эксплуатации асинхронных электроприводов конвейеров с реостатными схемами управления... 143
    4.4. Устройство и особенности эксплуатации электроприводов скребковых конвейеров..................................149

РАЗДЕЛ 5. ЭЛЕКТРОПРИВОД ДОБЫЧНЫХ
И ПРОХОДЧЕСКИХ МАШИН................................................163
    5.1. Особенности устройства и эксплуатации очистных комбайнов и струговых установок..................................163
    5.2. Электропривод подачи комбайна постоянного тока.............167
    5.3. Частотно-управляемый асинхронный электропривод подачи очистного комбайна.....................................169
    5.4. Электропривод вынесенной системы подачи очистного комбайна с электромагнитными муфтами скольжения.................178
    5.5. Электропривод проходческих комбайнов.......................180

РАЗДЕЛ 6. ЭЛЕКТРОПРИВОД ЛОКОМОТИВНОГО ТРАНСПОРТА....................183
    6.1. Устройство и особенности эксплуатации шахтных электровозов.183
    6.2. Направления совершенствования электроприводов шахтных электровозов...................................186

РАЗДЕЛ 7. ЭЛЕКТРОПРИВОД ШАХТНЫХ СТАЦИОНАРНЫХУСТАНОВОК...............................................194
    7.1. Электропривод насосных установок...........................194
    7.2. Электропривод вентиляторных установок......................196
    7.3. Электропривод компрессорных установок......................204

РАЗДЕЛ 8. БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ МАШИН И УСТАНОВОК ШАХТ И РУДНИКОВ...................................207
    8.1. Требования безопасности эксплуатации систем управления и электроснабжения электроприводов забойных машин......207
    8.2. Требования безопасности при применении систем управления отдельными горными машинами............................209

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................215

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................224

4

ПРЕДИСЛОВИЕ


      Современное горное предприятие представляет собой комплекс взаимосвязанных разнообразных технологических процессов. Большинство из них характеризуется высокой энергоемкостью, необходимостью регулирования скоростных параметров исполнительных машин и механизмов, требует обеспечения высокого ресурса соответствующего электромеханического оборудования, эксплуатация которого усложнена специфическими условиями окружающей среды в шахте. Определяющую роль в работе горных машин, другого технологического оборудования шахты играют их электроприводы и средства их автоматизации.
      Таким образом, автоматизация горно-технологических процессов как один из важнейших факторов обеспечения высоких показателей угледобычи, касается, прежде всего, проблематики эксплуатации автоматизированных, электроприводов машин и установок шахт и рудников.
      Решение задач, связанных с разработкой и эффективной эксплуатацией средств автоматизации производственных процессов и, в частности, автоматизированных электроприводов горных машин, в значительной степени определяется качеством подготовки специалистов соответствующего направления и специализации. Таким образом, специалист в вопросах автоматизации горнотехнологических процессов должен быть хорошо осведомлен в вопросах устройства и применения автоматизированных электроприводов с учетом специфики работы соответствующих технологических установок, типов и параметров примененных электродвигателей, требований относительно обеспечения безаварийной эксплуатации силового электромеханического оборудования в условиях шахты, отличающихся повышенной влажностью, запыленностью отдельных выработок, представляющих повышенную опасность пожара или взрыва метано-воздушной смеси.
      Учитывая это, в учебном пособии рассмотрение схемных решений и принципов работы типовых электроприводов горно-технологического оборудования основывается на анализе устройства соответствующих горных машин и технологических установок, условий их эксплуатации в шахте. Наряду с известными, широко применяемыми в горной промышленности системами электроприводов рассматриваются новейшие разработки и перспективные направления совершенствования силовой приводной техники и средств ее автоматизации. Прежде всего, это касается частотно-управляемого асинхронного электропривода горных машин, силовых тиристорных средств управления пуском и торможением асинхронных двигателей рудничных транспортных средств, перспектив применения вентильных реактивных двигателей и т. п. Учитывая

5

специфику эксплуатации силового электромеханического оборудования в шахте, особое внимание уделено вопросам обеспечения безаварийной работы шахтных электроприводов в контексте положений соответствующих нормативнотехнических документов. Все это создает возможность формирования у студентов системы знаний по теории автоматизированного электропривода машин и установок шахт и рудников, особенностям его устройства и применения в условиях шахты.
      Подготовка ученого пособия основана на многолетнем опыте преподавания учебных курсов по изучению общего электропривода и электропривода машин и установок шахт и рудников преподавателями кафедр «Горная электротехника и автоматика им. Р. М. Лейбова» (К. Н. Маренич, Ю. В. Товстик), «Автоматика и телекоммуникации» (В. В. Турупалов) Донецкого национального технического университета и учебно-научного профессионально-педагогического института (И. Я. Лизан) Украинской инженерно-педагогической академии при обучении студентов по направлению подготовки «Автоматизация и компьютерноинтегрированные технологии», их собственном опыте в области исследований, разработок, промышленных испытаний и эксплуатации новых образцов рудничных электроприводов.

6

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА



      Учебной целью раздела является рассмотрение основных положений теории электропривода, принципиально важных для дальнейшего уяснения особенностей устройства и функционирования типовых электроприводов технологических машин и установок шахт и рудников, включая средства управления их режимами работы. Результатом освоения студентами материала раздела является знание электромеханических свойств электродвигателей, способов управления их скоростными и тормозными режимами.


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


      Горное производство представляет собой совокупность разнообразных, согласованных между собой технологических процессов, выполнение которых обусловлено применением соответствующих электромеханических устройств, других исполнительных средств (рис. 1.1). Задачу приведения в движение рабочих органов технологических установок и машин, управления их скоростными и тормозными режимами выполняет электропривод, типичная структура которого приведена на рис. 1.2 [1]. Таким образом, электропривод выполняет преобразование электрической энергии, потребляемой из электросети, в механическую энергию, которая передаётся рабочему органу соответствующей технологической установки. В процессе работы возможно и обратное преобразование энергии.


ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ ШАХТЫ

Подъём Очистные Проходческие  Шахтный  Стационарные
        работы     работы    транспорт  установки  

I                                      I                                      I ,, I                                                                         I

Скиповой Комбайны Комбайны Ленточные Насосные 
                           конвейеры установки
                                           III II                                                 
Клетьевой          Струговые             Породо-   Скребковые            Вентиляторные           
                   установки           погрузочные конвейеры               установки             
__________________1__________________    машины    1                                           1  
Одноконцевая  Электровозы Компрессорные
  откатка                   установки  

Рисунок 1.1 - Области применения устройств электропривода в шахтных технологических установках

7

Рисунок 1.2 - Структурная схема управляемого электропривода

     Основными элементами электроприводов являются электрические машины (двигатели), которые различаются в зависимости от рода потребляемого тока (переменный, либо постоянный), мощности, конструкции. Наибольшее распространение в горной промышленности получили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (нерегулируемые и частотно-управляемые приводы подачи очистных комбайнов, электроприводы струговых установок, скребковых конвейеров, некоторых типов ленточных конвейеров, проходческих комбайнов и породопогрузочных машин, насосных установок, вентиляторов местного проветривания, поршневых компрессоров и др.). К преимуществам этих двигателей следует отнести: надёжность, простоту устройства и обслуживания, относительно низкую стоимость, отсутствие контактной передачи электроэнергии на подвижные элементы, отсутствие искрообразования в процессе работы. Однако, определённую сложность представляет процесс регулирования угловой скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, в связи с чем требуется, как правило, применение сложных и дорогостоящих преобразовательных устройств.
     Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются в электроприводах одноконцевых откаток и в приводах отдельных типов магистральных ленточных конвейеров. В обоих случаях средствами реостатного или каскадного регулирования реализуется функция управляемого, или плавного пуска соответствующей горной транспортной машины.
     Синхронные двигатели отличаются возможностью поддерживать постоянную величину угловой скорости при колебаниях нагрузки (момента сопротивления) и в горной промышленности применяются, преимущественно,

8

в электроприводах вентиляторов главного проветривания; отдельных типов турбокомпрессорных установок; в системах приводов «генератор - двигатель» шахтных подъемных установок для обеспечения и поддержания постоянной угловой скорости генератора постоянного тока. Кроме этого, известны системы шахтного подъема с применением синхронного двигателя в качестве приводного. Регулирование скорости подъема обеспечивается применением преобразователя частоты в цепи этого двигателя [2].
      Среди машин постоянного тока в электроприводах шахтных технологических установок применяются двигатели независимого возбуждения (некоторые типы регулируемых приводов постоянного тока очистных комбайнов, электроприводы постоянного тока шахтных подъёмных установок), а также машины последовательного возбуждения (электроприводы постоянного тока шахтных аккумуляторных и контактных электровозов). Средства регулирования скорости двигателей постоянного тока отличаются простотой и низкой стоимостью. Однако, сама конструкция такого двигателя является достаточно сложной, требует использования большого количества медных компонентов, что удорожает машину, предполагает контактную передачу электроэнергии постоянного тока на коллектор. Это существенно снижает ресурс и надежность машины, усложняет ее обслуживание, создает искрообразования и опасность возникновения коллекторного огня. Все это определяет тенденции преимущественного применения в электроприводах оборудования горной промышленности асинхронных двигателей.
      В соответствии с типовой структурой электропривода (рис. 1.2), с целью регулирования его электромеханических параметров устройство управления может исполнять функцию воздействия относительно преобразователя, самого двигателя, либо устройства передачи. Функции и структура преобразователя определяются параметрами электросети, типом приводного двигателя (рис. 1.3).
      Так, с учётом того, что напряжение магистральных кабельных линий составляет 6000 В, а большинство электродвигателей технологических установок рассчитаны на напряжение меньшего номинального уровня (660 В; 1140 В), функцию преобразователя исполняет трансформатор участковой подстанции. Кроме этого, в случае реализации функции плавного пуска асинхронного двигателя в цепи его статора может быть применен регулятор (тиристорный) напряжения в качестве устройства преобразования величины напряжения промышленной частоты, подаваемого на статор двигателя. Глубокое и продолжительное регулирование величины угловой скорости асинхронного двигателя достигается применением преобразователя частоты в цепи его статора. При использовании двигателя постоянного тока функцию преобразователя исполняет управляемый выпрямитель в цепи якоря данной электрической машины.

9

Рассмотренный способ эффективен для продолжительного поддержания и регулирования скорости якоря в полном диапазоне скоростей.

Рисунок 1.3 - Варианты применения преобразователей в электроприводах

     Функция управления с непосредственным воздействием на двигатель отличается применением средств реостатного, или каскадного регулирования параметров асинхронных двигателей с фазным ротором (прежде всего - регулирование угловой скорости ротора); реостатного регулирования угловой скорости якоря двигателя постоянного тока.
     К устройствам передачи относятся редукторы и муфты. Функция управления может быть применена к редуктору при условии, что этот редуктор является многоскоростным. Однако, в рудничных технологических установках такие редукторы, как правило, не применяются. В отношении передаточных устройств функция управления предусматривает наличие управляемых муфт. К ним следует отнести электромагнитные муфты скольжения, регулирование угловой скорости выходного вала которых выполняется изменением величины постоянного тока обмотки индуктора (в качестве преобразователя применяется управляемый выпрямитель). Объектом применения этих муфт на горных предприятиях является привод вынесенной подачи очистного комбайна. Кроме

10

этого, имеется положительный опыт эксплуатации электромагнитных муфт скольжения в электроприводах скребковых конвейеров. К регулируемым относятся также гидромуфты с изменением объёма заполнения эмульсией. Но они имеют низкую эффективность и в электроприводах горных технологических установок не применяются.

1.2.      Основное уравнение и характеристики электропривода


      Основными параметрами электропривода, которые существенно влияют на механические свойства технологических машин и установок, являются электромагнитный момент двигателя (М), его угловая скорость (т) и момент инерции (Ji). Рабочий орган так же характеризуется соответствующим моментом инерции (J2) и создаёт момент сопротивления (Мс) как противодействие двигательному электромагнитному моменту двигателя (рис. 1.4). Момент инерции Jᵢ представляет собой произведение массы (т) вращающегося тела на квадрат радиуса инерции (р):
J = тр².                             (i.i)

Рисунок 1.4 - Иллюстрация взаимодействия параметров электропривода

     В случае, если на одной оси находятся несколько объектов, общий момент инерции этой системы будет равен сумме моментов инерции каждого из указанных объектов, т. е.,в соответствии с рис. 1.4,7о₍^ = J1 +J2.
     Основной характеристикой приводного двигателя является его механическая характеристика, которая устанавливает функциональную зависимость угловой скорости двигателя от электромагнитного момента на его валу. Кроме этого, практический интерес представляет электромеханическая характеристика - зависимость между угловой скоростью двигателя и потребляемым током.
     Соотношения между электромагнитным моментом двигателя и моментом сопротивления, приложенным со стороны рабочего органа может быть различным ii

по величине, однако двигательный момент двигателя (М) в процессе работы привода всегда уравновешивается моментом сопротивления (Мс) в совокупности с инерционно-динамическим моментом (Jdm/dt), возникающим при изменении скорости привода. Это положение раскрывает сущность основного уравнения электропривода:
Мд = М - Мс =Jdm/dt,                      (1.2)
где Мд - динамический момент электропривода.
      Из выражения (1.2) можно сделать следующие выводы, учитывая, что момент инерции J привода является величиной, как правило, постоянной и не может принимать отрицательных значений:
      М> Мс - условие ускоренного движения привода;
      М < Мс - условие замедления, снижения скорости движения привода;
      М = Мс - условие устойчивого режима работы привода (работа с постоянной скоростью).
      Сам двигатель может испытывать различные воздействующие факторы со стороны средств управления и, в соответствии с этим, создавать электромагнитный момент (М), совпадающий, либо не совпадающий с направлением угловой скорости (т) своего вала. Соответственно этому, различают двигательные и тормозные режимы работы электродвигателей (рис. 1.5). В координатах механических характеристик двигателя выделяют четыре квадранта, два из которых (I и III) относятся к двигательным режимам работы и отличаются между собой только направлением вращения вала двигателя. Другие два квадранта (II и IV) являются областями тормозных режимов двигателя. Состоянием, предшествующим торможению, является двигательный режим: в квадрант II двигатель переходит из квадранта 1.ав квадрант IV - из квадранта III.

Рисунок 1.5 - Области расположения механических характеристик двигателя в режимах движения и торможения

12