Источник: Решение научно-технических проблем при создании и внедрении современного горно-шахтного оборудования. Сборник научных трудов ГП «Донгипроуглемаш» под общей редакцией кандидата технических наук В.В.Косарева, доктора технических наук Н.И.Стадника. Донецк: Астро, 2008 - 800с.:илл. - С. 601-607.

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Промышленные запасы угля в нашей стране составляют 7,13 млрд.т., при этом в пологонаклонных пластах малой мощности сосредоточено около 70% этих запасов. Поэтому задача оснащения очистных забоев тонких пластов новой высокопроизводительной угледобывающей техникой для Украины особо актуальна.

Постановка задачи. Перед институтом «Донгипроуглемаш» была поставлена задача по созданию высокопроизводительного комбайна для отработки тонких пластов (от 0,85 до 1,5 м) в лавах длиной до 350 м, при этом комбайн должен обеспечивать максимальную скорость до 12 м/мин при тяговом усилии до 30 тонн. Анализ возможных систем привода подачи [1], показал, что такие параметры могут быть реализованы только с использованием электрического привода подачи с частотно-регулируемыми асинхронными двигателями. Помимо создания собственно преобразователя частоты и двигателей подачи, решение данной задачи потребовало и разработки принципиально новой системы управления комбайна, устройств электроснабжения и защиты.

Изложение материала и результаты. На момент начала проектирования комбайна УКДЗОО (2002 г.) ни украинские, ни предприятия стран СНГ не имели приводов, позволяющих реализовать необходимые тяговые характеристики, и не взялись за разработку в приемлемые сроки. Поэтому для разработки частотного преобразователя с прямым вводом напряжения 1140 В и тесно интегрированной с ним системы управления была привлечена немецкая фирма «ВАRТЕС» – ведущий изготовитель и поставщик взрывобезопасного электрооборудования в Германии.

На базе разработок фирмы «ВАRТЕС» было спроектировано электрооборудование очистного комбайна, состоящее из следующих основных узлов:

1) преобразователь частоты DYNAVERT BdD 250/1140-dА60;

2) взрывозащищенный промышленный котроллер ВIРС;

3) штрековая станция управления УКДЗОО.16.01;

4) штрековый пульт управления SР1.0;

5) пульты радиоуправления FS04/01L и FS04/01R;

6) пульты управления комбайновые левый WL и правый WR;

7) комбайновый отсек силовой VI;

8) комбайновый отсек управления V2;

9) двигатель резания мощностью 150 кВт, напряжением 1140 В;

10) двигатель подачи мощностью 30 кВт, напряжением 1140 В;

11) комплект датчиков.

Преобразователь частоты DYNAVERT BdD 250/1140-dА60 является адаптированным для привода суммарной мощностью 60 кВт и напряжением 1140 В, разработанным на базе серийно выпускаемого преобразователя мощностью 330 кВА (мощность на выходе 250 кВт) и напряжением 1000 В. Диапазон регулирования частоты - до 60 Гц, при этом максимальная скорость подачи - 9,2 м/мин.

В качестве силовых полупроводниковых ключей применены отдельные тиристоры и диоды в таблеточном исполнении, объединенные по два в каждом силовом модуле. Силовая часть содержит девять таких модулей - три модуля тиристор-тиристор выпрямителя и по три модуля диод-тиристор, тиристор-диод в инверторе. Охлаждение модулей осуществляется посредством воды, пропускаемой через медный охладитель, на котором они установлены.

Система управления обеспечивает местное, дистанционное в зоне видимости (с носимого радиопульта) и дистанционное вне зоны видимости (со штрекового пульта) управление, что обеспечило возможность работы комбайна на выбросоопасных пластах. Архитектура системы управления представляет собой общую шину данных (организованную по протоколу САNОреn), унифицированные модули ввода-вывода (Х-модули) и главный контроллер, расположенный на штреке.

Комбайн УКДЗОО с электрооборудованием немецкого производства в составе комплексов с крепью ДМ и конвейером КСД26В в сентябре 2003 г. был поставлен шахте «Павлоградская». В январе 2004 г. была начата эксплуатация комбайна УКДЗОО на шахте им. Н.И. Сташкова.

За время опытной эксплуатации с электрооборудованием немецкого производства на шахте «Павлоградская» отработано в течение 18 месяцев две лавы, общая добыча составила 634,8 тыс.тонн; на шахте им. Н.И. Сташкова за 27 месяцев отработано две лавы, общая добыча - 919,2 тыс. тонн.

Основными недостатками, выявленными в процессе эксплуатации электрооборудования, явились:

1) пониженное, по сравнению с ожидаемым, тяговое усилие;

2) необходимость использования контрольного кабеля специальной конструкции, крайне чувствительного к механическим нагрузкам и повреждениям;

3) недостаточный уровень диагностики, несмотря на наличие мощной программно-аппаратной базы.

Подробно описанные в [1] особенности компоновочной схемы комбайна УКДЗОО для работы на тонких пластах обуславливают повышенные требования к приводу подачи. Фактически полученное тяговое усилие было ниже расчетного на 28 % в диапазоне низких скоростей (0-4 м/мин), за счет программно-аппаратной доработки преобразователя удалось увеличить реализуемый момент, что позволило обеспечить работу комбайна, однако тяговое усилие осталось меньше расчетного на 16 %.

Это обусловлено особенностями работы полупроводниковых элементов, что неизбежно приводит к потере напряжения в преобразователе, а, следовательно, и реализуемого двигателем момента. Во избежание этого был разработан двигатель, реализующий требуемый момент при напряжении 950 В, что позволило обеспечить расчетное тяговое усилие привода подачи комбайна. Кроме того, был проведен ряд мероприятий, направленных на уменьшение возможных перекосов приводных валов и комбайна в целом для уменьшения дополнительных сопротивлений перемещению. Это позволило повысить диапазон рабочих скоростей подачи, но одновременно потребовало увеличить мощность привода резания. За счет переработки конструкции двигателя (удлинения его активной части), длительная мощность двигателя резания была увеличена на 20 %.

Указанные выше недостатки были учтены при разработке электрооборудования комбайна с украинской комплектацией, состоящей из следующих основных узлов:

1) преобразователь частоты ПЧЭШ-60;

2) штрековое устройство отображения информации БПОИ;

3) штрековый пульт управления ПУШ;

4) пульт радиоуправления;

5) пульты управления левый ПУЛ и правый ПУП;

6) комбайновый отсек силовой ОС;

7) комбайновый отсек управления ОУ;

8) комбайновый отсек вводной ОВ;

9) двигатель резания мощностью 180 кВт, напряжение 1140 В;

10) двигатель подачи мощностью 30 кВт, напряжение 950 В;

11) комплект датчиков.

Преобразователь частоты имеет те же габаритные размеры, что и преобразователь DYNAVERT. Однако в качестве силовых ключей применены быстродействующие биполярные транзисторы с изолированной базой IGBT, собранные встречно-параллельно с высоковольтным диодом и выполненные в виде единого конструктива. Применение IGBT-транзисторов позволило унифицировать силовые элементы - один тип вместо трех, уменьшить их общее количество -шесть вместо девяти, существенно упростить схему управления, уменьшить силовой полупроводниковый блок. Это позволило в тех ясе габаритах разработать устройство, совмещающее функции преобразователя частоты и станции управления. Расширен и диапазон регулируемой частоты - до 100 Гц, что обеспечивает максимальную скорость комбайна до 16 м/мин.

Ключевым вопросом обеспечения безопасности при работе преобразователя в шахтной сети является обеспечение защиты от недопустимых утечек тока на землю в сетях, содержащих участки с неизменной частотой, с постоянным напряжением и с изменяющейся частотой напряжения - комбинированные сети. Для решения этого вопроса было разработано реле утечки для комбинированных сетей АЗУР-4ПП и соответствующим образом скорректирована схема преобразователя ПЧЭШ-60. Подробней вопросы обеспечения защиты в комбинированных сетях изложены в [2].

Вместо системы управления немецкого производства на основе Х-модулей и контроллера ВIРС ОАО «Автоматгормаш им. В. А. Антипова» был разработан комплекс средств КУОК, имеющий расширенные функциональные возможности.

В комплексе КУОК применяются общепромышленные модули ввода-вывода, поддерживающие обмен данными по протоколу RS485. Контроллер, управляющий комбайном, находится на борту, что позволяет не передавать на штрек большой объем информации.

Представление информации о работе комбайна осуществляется посредством дополнительного контроллера, имеющего архитектуру РС-компьтера, с цветным графическим дисплеем, что позволяет накапливать, хранить и отображать информацию о работе комбайна в наиболее доступной для обслуживающего персонала форме. Этот дополнительный контроллер не влияет на работу комбайна, и в случае каких-либо неполадок с ним, работоспособность комбайна сохраняется.

В настоящее время современный очистной комбайн представляет собой сложный объект, состоящей из механических, гидравлических, электромеханических и электронных компонентов. Тесная интеграция этих компонентов, высокая «интеллектуальная плотность» характерна для мехатронных объектов [3], к которым в полной мере можно отнести и современный очистной комбайн.

Выводы и направление дальнейших исследований. Опытная эксплуатация преобразователя ПЧЭШ-60 и комплекса КУОК была начата на шахте «Павлоградская» в конце августа 2005 г. На начало 2008 г. с электрооборудованием украинского производства комбайн УКДЗОО отработал три лавы в течение 28 месяцев, добыто 785 тысяч тонн. В 2006 г. преобразователь частоты ПЧЭШ-60 и комплекс КУОК поставлены на серийное производство. Эксплуатация электрооборудования в течение более двух лет подтвердила его достаточную надежность и соответствие предъявляемым требованиям для современных систем управления горной техникой.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Стадник Н.И., Сергеев А.В. Электрический привод подачи очистного комбайна для тонких пластов// Материалы международной конференции «Форум горняков - 2005», том 4. -Д.:НГУ, 2005.-С. 84-93.

2. Савицкий В.Н., Стадник Н.И. Защита от токов утечки в комбинированных распределительных сетях угольных шахт//Горное оборудование и электромеханика № 9, 2006. -С. 31-39.

3. Стадник Н.И., Сергеев А.В., Кондрахин В.П. Мехатроника в угольном машиностроении//Вести Донецкого горного института № 1, 2006. - С. 148-163.

К началу страницы