1) нормальний стан характеризується номінальним, або близьким до нього режимом роботи всіх двигунів мережі;
        2) анормальний стан без захисного відключення мережі:
                а) короткочасті струмові перевантаження мережі, що пов'язані як з пуском окремих двигунів дільниці, так і з накиданням навантаження на вже працюючі АД;
                б) нетривалі коливання живлячої напруги, що пов'язані з пуском потужних споживачів (наприклад, насоса головного водовідливу, магістрального конвеєра та ін.);
                в) стан, при якому один або кілька двигунів переходять в режим рекуперативного гальмування. Це може мати місце при:
                        — роботі видобувного комбайна на похилих чи крутих пластах;
                        — бремсбергових конвеєрів, що спускають гірничу масу на магістральний конвеєр;
                        — вантажопідйомних гірничих машин під час спускання вантажів;
                        — в системі "перетворювач частоти - двигун" під час зупинення або переходу АД з характеристики на характеристику;
        3) анормальний стан при наявності захисного відключення:
                а) тривалі струмові перевантаження, що пов'язані із заклинюванням робочих органів гірничих машин, пусками двигунів, що не відбулися, і т.і.;
                б) замикання в кабельних мережах, що, зокрема, пов'язані з механічними пошкодженнями ізоляції;
                в) витоки струму на землю, які призводить до спрацьовування відповідної захисної апаратури;
                г) неповнофазні режими робити двигунів, настають при пошкодженні будь-якої фази живлячої мережі, характеризуються підвищенням струму в непошкоджених фазах.

        Дослідження режиму рекуперативного гальмування одного з двигунів сукупності при руховому режимі роботи інших дозволить вирішити питання щодо підвищення безпеки експлуатації гірничих машин та механізмів. Розробка способів регулювання координат такого асинхронного генератора дасть можливість відмовитится від використання динамічного гальмування бремсбергових конвеєрів, яке є менш економічним.

        Автоматичне захисне відключення мережі у випадку перелічених у п.2 аварійних режимів, яке забезпечується, головним чином, автоматичними вимикачами (АВ), не спроможне забезпечити вимоги ПБ щодо електробезпеки експлуатації низьковольтної шахтної мережі. Причина полягає в тому, що двигуни споживачів дільниці, які до автоматичного захисного відключення працювали в руховому режимі, переходять у режим групового вільного вибігу. Це зумовлює генерацію до відключеної мережі ЕРС обертання, величина якої достатня для підтримання ввімкненого стану контакторів магнітних пускачів (МП) деякий час. Енергія, що при цьому виділяється, може стати причиною спалахування метано-повітряної суміші достатньої концентарації у місці замикання. У разі наявності витоку струму на землю ЕРС обертання збільшує тривалість витоку, що негативно впливає на дотримання параметрів електробезпеки на дільниці.

        Актуальність дослідження спільної роботи групи асинхронних короткозамкнених двигунів на загальну електричну мережу технологічної дільниці шахти пов'язана зі складністю і недостатньою вивченістю:

        — режимів роботи таких систем;
        — характеру аварійних станів у вказаних мережах;
        — впливу двигунів на параметри електробезпеки на дільниці.

Стан питання

        Загальні теоретичні питання щодо процесів при одночасному вимкненні групи двигунів розкриті в [3]. В монографії [4] наводяться експериментальні криві, що ілюструють одиночний та груповий вибіг асинхронних двигунів загальнопромислового електроприводу. Також розглядаються процеси під час вибігу групи АД за умови трифазного короткого замикання.

        Робота асинхронного двигуна в режимі рекуперативного гальмування проаналізована в [5]. Незважаючи на наявність в цій монографії аналітичних виразів та векторні діаграми, що характеризують вказаний режим роботи асинхронної машини, відсутня інформація щодо взаємодії асинхронного генератора з іншими АМ системи.

Невирішені частини загальної проблеми

Постановка задачі

Основний матеріал і результати досліджень

Рис. 1 Спрощена розрахункова схема електричної мережі технологічної дільниці шахти

        Основні складові елементи схеми наступні:

        — пересувна дільнична знижувальна підстанція (ПДЗП);
        — автоматичний вимикач (АВ);
        — магнітні пускачі (МП) з контакторами (КМ);
        — гнучкі кабелі (ГК), якими споживачі під'єднані до МП;
        — асинхронні двигуни електроспоживачів дільниці (М).

        На схемі вказані активний та ємкісний опір ізоляції ГК відносно землі ().

        Параметри споживачів технологічної дільниці, що розглядається, наведені в табл. 1.

№	Споживач (Uн = 660 В)	Тип асинхронного двигуна	Номінальні параметри асинхронних двигунів							Параметри ГК
			потужність	ККД	коефіцієнт потужності	ковзання	струм	пусковий струм	момент інерції ротора	перетин жили	довжина	ємність ізоляції відносно землі	активний опір при 65 °С	індуктивність
			, кВт			, %	, A	, A	, кг·м2	, мм2	, м	, мкФ/км/фаза	, Ом/км/фаза	, мГн/км/фаза
1	Комбайн КА80	2ЭКВ3,5-180	180	0,88	0,865	5,9	208,1	1100	0,691	70	300	0,87	0,281	0,252
2	Скребковий конвеєр (верхній привод)	2ЭДКОФ250LB4	110	0,932	0,85	1,8	122	915	1,14	25	300	0,424	0,767	0,28
3	Скребковий конвеєр (нижній привод)	2ЭДКОФ250LB4	110	0,932	0,85	1,8	122	915	1,14	25	50	0,427	0,767	0,28
4	Стрічковий конвеєр штрека	2ЭДКОФ250LB4	2*110	0,932	0,85	1,8	2*122	2*915	1,14	70	50	0,87	0,281	0,252
5	Маслостанція СНТ-32	АИУМ255М4	55	0,925	0,87	6	62,5	193	0,29	16	50	0,363	1,22	0,287
6	Станція зрошення	ВРП180М4	30	0,895	0,87	2,6	35,1	211	0,25	10	50	0,345	1,96	0,293
7	ВСП (верхній привод)	ЭКВ2,5-30	30	0,82	0,85	3	49,5	260	0,12	10	300	0,345	1,96	0,293
8	ВСП (нижній привод)	ЭКВ2,5-30	30	0,82	0,85	3	49,5	260	0,12	10	300	0,345	1,96	0,293

        Характер моменту навантаження приводних двигунів електроспоживачів технологічної дільниці шахти визначається особливостями конструкції та роботи відповідних машин (механізмів). Для споживачів, що розглядаються, механічний момент характеризується таким чином:

        — момент навантаження виконавчого органу видобувного комбайна є випадкова величина, що змінюється у визначених в [6] межах;
        — для спрощення приймається, що моменти навантаження на приводи конвеєрів та винесеної системи подачі (ВСП) комбайна не залежать від швидкості обертання роторів відповідних двигунів;
        — для приводів гідравлічних машин, якими є маслостанція й станція зрошення, залежність моменту від швидкості обертання робочого органу носить вентиляторний характер [5]:

,

(1)

де — момент, що обумовлений силами тертя в механічній частині машини;
    — номінальні статичний момент та частота обертання ротора двигуна;
    — поточна частота обертання ротора двигуна.

        З метою дослідження процесів у дільничній електромережі, спрощена схема якої наведена на рис. 1, при нормальному та анормальних режимах роботи створена компьютерна модель, яка дозволяє:

        — моделювати нормальний та різноманітні анормальні стани системи, що досліджується;
        — вимірювати широкий спектр параметрів мережі з метою їх подальшого аналізу;
        — спостерігати та оцінювати перехідні процеси в системі.

        Нижче наведені результати досліджень нормального та анормальних станів електромережі технологічної дільниці шахти, які проведені за допомогою розробленої компьютерної моделі.

        1. Нормальний стан. Як було зазначено вище, цей стан характеризується номінальним або близьким до нього режимом роботи всіх електроприймачів мережі. Оскільки механічний момент, що навантажує виконавчий орган видобувного комбайна не є статичним, а змінюється випадково у визначених межах, в кривій струму та частоти обертання відповідного двигуна спостерігаються коливання (рис. 2). Вплив указаних явищ на роботу інших двигунів мережі незначний, їм можна знехтувати.

        Таким чином, в нормальному режимі особливості роботи деяких споживачів мережі не впливають на стан сукупності інших електроспоживачів.

Рис. 2 Діаграми, що характеризують нормальний режим роботи електроспоживачів технологічної дільниці шахти: а) струм; б) частота обертання; в) момент

        2. Анормальні стани без захисного відключення мережі.

        а) Короткочасні струмові перевантаження мережі досліджуються при ввімкненні КМ4, що живить два паралельно з'єднані двигуни М_4.1 та М_4.2 (рис. 1) привода стрічкового конвеєра штрека. Пуск цих двигунів відбувається з навантаженням. На діаграмі (рис. 3а) можна спостерігати зниження напруги (при прийнятих параметрах мережі приблизно на 10%) як на виході трансформаторної підстанції (), так і на затискачах кожного двигуна мережі, під час пуску привода стрічкового конвеєра. Діаграма зміни струмів в мережі (рис. 3б) свідчить про наявність кидка пускового струму у спільному ланцюзі двигунів М_4.1 та М_4.2, а також через автоматичний вимикач. При цьому рівень струму інших споживачів дільниці є незмінним.

        Тобто при пуску окремих потужних споживачів має місце зниження напруги, що живить усю дільницю. В режимі, що розглядається, має місце вплив елемента на сукупність електроспоживачів технологічної дільниці шахти.

Рис. 3 Діаграми зниження напруги (а) та збільшення струму при пуску двигунів М_4.1 та М_4.2 привода стрічкового конвеєра (б)

        б) У випадку, коли мають місце коливання живлячої систему напруги, змінюються умови роботи всіх двигунів дільниці. Це ілюструють наведені на рис. 4 діаграми. Зменшення напруги відбувалося до рівня протягом двох секунд (рис. 4а). При цьому мало місце підвищення струму (рис. 4б) та зниження швидкості обертання роторів двигунів сукупності (рис. 4в). Оскільки електромагнітний момент АД змінюється пропорційно квадрату живлячої напруги, то при зменшенні напруги нижче критичного рівня може мати місце "перекидання" одного або кількох двигунів мережі. При цьому значно підвищується струм через автоматичний вимикач, що знижує ресурс останнього.

        Таким чином, коливання живлячої напруги можна розглядати як збурюючий вплив на мережу, що негативно впливає на роботу всіх елементів сукупності та може вивести систему зі стану рівноваги.

Рис. 4 Діаграми, які ілюструють стан споживачів дільничної електромережі під час зниження живлячої напруги: а) фазна напруга; б) струм; в) частота обертання роторів двигунів

        в) Розглядається стан системи, при якому асинхронні двигуни привода ВСП видобувного комбайна (М₇ і М₈) переходять в режим рекуперативного гальмування. Це може мати місце, наприклад, при пошкожденні або неспрацьовуванні запобіжної лебідки та самовільному пересуванню комбайна під дією сили власної ваги за умови достатнього кута похилу пласта вздовж става конвеєра.

        Перш, ніж навести та проаналізувати результати моделювання даного стану системи, розглянемо особливості генераторного режиму роботи асинхронної машини. В руховому режимі роботи АМ магнітне поле, що обертається, перетинає провідники обмоток статора й ротора в однаковому напрямку, тому ЕРС статора і ротора співпадають за фазою, що ілюструє наведена на рис. 5а векторна діаграма. В генераторному режимі провідники обмоток статора перетинаються полем, що обертається, у колишньому напрямку, а провідники ротора — у зворотньому [5], ЕРС ротора змінює свій знак на зворотній (рис. 5б).

Рис. 5 Векторні діаграми асинхронного двигуна (а) та генератора (б)

        Користуючись виразом для струму ротора:

,

(2)

можна встановити, що з переходом в генераторний режим змінює свій напрям лише активна складова струму ротора через те, що момент на валу змінює свій знак на зворотній, тобто ковзання стає від'ємним. При цьому реактивна складова зберігає свій напрямок і при , як видно з виразу (2).

        Векторна діаграма асинхронного генератора (рис. 5 б) дозволяє встановити: між та кут зсуву фази , що відповідає режимові, в якому причиною виникнення струму є не напруга живлення мережі, а ЕРС . Таким чином, відмітною рисою режиму рекуперативного гальмування асинхронного двигуна є повернення до мережі енергії, що виділяється під час гальмування.

        Такі ж висновки можна зробити в результаті аналізу виразів для активної (електромагнітної) та реактивної потужності.

        Електромагнітна потужність АМ:

.

(3)

        Останній вираз свідчить про те, що з переходом до генераторного режиму активна потужність змінює свій знак на зворотній, тобто потужність з вторинного ланцюга машини передається до первинного, генератор віддає активну потужність до мережі.

        Реактивна потужність вторинного контуру визначається з наступного виразу:

.

(4)

        З (4) можна встановити, що знак реактивної потужності зберігається незалежно від режиму роботи машини, тобто для будь-якого ковзання. Ця обставина свідчить про те, що АМ як у руховому, так і в генераторному режимі споживає з мережі реактивну потужність, що необхідна для створення магнітного поля машини.

        Виходячи зі сказаного, баланс активної потужності системи, що складається з асинхронних двигунів та генераторів, є таким:

,

(5)

де — активна потужність, яку мережа споживає ззовні;
    — сума потужностей, що споживають двигуни;
    — загальна активна потужність, яку віддають генератори;
    — втрати активної потужності в мережі.

        Відповідний баланс реактивної потужності:

.

(6)

        Для моделювання даного процесу приймається, що моменти на валах двигунів М₇ і М₈ лінійно зменшуються від до рівня зі швидкістю за секунду, що дає змогу встановити тривалість самовільного пересування комбайна. Діаграми, які були отримані під час моделювання роботи дільничної електромережі за наявності двох двигунів (М₇ і М₈), що працюють в режимі рекуперативного гальмування, наведені на рис. 6. Лінійне зменшення моменту навантаження відбувається від моменту до модельного часу.

Рис. 6 Діаграми, що характеризують стан мережі, при якому двигуни М₇ і М₈ переходять у генераторний режим роботи: а) фазна напруга; б) частота обертання; в) електромагнітний момент; г) фазовий кут; д) активна потужність; е) реактивна потужність

        Запропонований підхід до моделювання процесу дозволяє встановити початок роботи двигунів у генераторному режимі (), коли моменти на валах машин стають від'ємними, як це ілюструє рис. 6в. Графік зміни частоти обертаня роторів також підтверджує перехід двигунів М₇ і М₈ до режиму рекуперативного гальмування в момент , оскільки у часовому проміжку і перевищують синхронну частоту обертання . Крім того, як можна встановити з рис. 6г, у момент фазові кути двигунів та перевищують значення 90°, що є характерною рисою асинхронних генераторів. Активна потужність, що споживається двигунами М₇ і М₈ після моменту змінює свій знак — стає від'ємною, тобто віддається генератором до мережі (рис. 6д). Водночас реактивна потужність не змінює свого знака, як було доведено вище за допомогою виразу (4).

        При зменшенні моменту на валах двигунів М₇ і М₈ напруга на затискачах їх статорних обмоток збільшується приблизно на 8% для М₇ та на 2% для М₈ протягом зменшення моменту, як це ілюструє рис. 6а. Для пояснення цього явища розглянемо схему заміщення однієї фази ланцюга "гнучкий кабель - асинхронний двигун" (рис. 7). Прийняті наступні позначення:

, — комплекси напруги на затискачах КМ й АД;
, — відповідно повний опір ГК й АД.

Рис. 7 Схема заміщення однієї фази ланцюга “гнучкий кабель – асинхронний двигун” дільничої мережі

        З наведеної схеми заміщення можна отримати відношення:

,

(7)

яке характеризує відносні втрати напруги у гнучкому кабелі в функції ковзання АМ та повного опору ГК.

        Оскільки довжина кабеля, що живить двигун М₇, більше відповідної довжини ГК для М₈ (), див. табл. 1, то має місце співвідношення:

.

(8)

        Через те, що перевищує величину , напруга на затискачах М₇ і М₈ при змінюється в неоднакових діапазонах, що підтверджують діаграми (рис. 8), побудовані за виразом (7).

        При по гнучкому кабелю тече струм неробочого ходу відповідного двигуна, яким при технічних розрахунках можна знехтувати. Тоді напруга на двигунах практично дорівнює напрузі на КМ, що ілюструє рис. 8.

Рис. 8 Графіки залежності відносного значення напруги на статорах М₇ і М₈ від ковзання під час роботи двигунів в дільничій шахтній мережі

        Аналіз наведених на рис. 6 залежностей дозволяє встановити, що генераторний режим декількох асинхронних двигунів не впливає на параметри й характер роботи інших АД сукупності. При цьому не враховується незначне збільшення фазового кута мережі, що призводить до підвищеного споживання реактивної потужності.

Висновки та напрямок подальших досліджень.

        У подальшому актуальною є задача дослідження характеру зміни параметрів системи, що розглядається, в режимі вільного вибігу групи АД при захисному відключенні дільничної мережі в разі виникнення аварійних станів.

1. Колосюк В.П. Защитное отключение рудничных электроустановок. — М.: Недра, 1980. — 334 с.
2. Риман Я.С. Защита подземных электрических установок угольных шахт. — М.: Недра, 1977. — 206 с.
3. Ковач К.П., Рац. И. Переходные процессы в машинах переменного тока. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. — 744 с.
4. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей / Под ред. Л.Г.Мамиконянца. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 240с., ил.
5. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 722с.
6. Горные машины и оборудование: Учеб. пособие для вузов: В 2т. / П.А. Горбатов, Г.В. Петрушкин, Н.М. Лысенко; Под общ. ред. П.А. Горбатова; Донец. нац. техн. ун-т. — Донецк: ДонНТУ, 2003. Т.1. — 295с.: ил.