Как видно из диаграммы, при умножении сигналов, соответствующих напряжению U_AC и одному из векторов I_A или I_C при чисто активной нагрузке сети между этими векторами существует угол сдвига фаз φ. Анализ векторной диаграммы показывает, что при вычитании векторов токов I_C и I_A получается вектор I_C-I_A, который по модулю равен , а угол сдвига фаз между этим вектором и вектором напряжения при чисто активной нагрузке равен нулю. Поэтому измерение мгновенного значения трехфазной активной мощности можно осуществить как P=3·P_ф=3·U_AC·(I_C-I_A). Причем, данный метод преобразования трехфазной мощности применим при несимметрии трехфазного напряжения до 2%.

Наиболее энергоемкими установками на шахте являются главная водоотливная установка, магистральный ленточный конвейер, главная вентиляторная установка главного проветривания. Данные установки относятся к так называемым потребителям-регуляторам. Следовательно, для уменьшения перерасхода электропотребления шахты необходимо изменять режимы работы магистральных конвейерных линий, главных вентиляторных установок и главных водоотливных установок. При этом если для расчетов за электроэнергию используется двухставочный тариф, включающий плату за заявленный максимум, то особое внимание при решении проблемы уделяется ограничению электропотребления в часы наибольших электрических нагрузок в сетях энергоснабжающей организации. Применение зонного тарифа заставляет предприятия также снижать потребление электроэнергии в периоды суток, где ставка по ее оплате наибольшая. При этом необходимо отметить, что на шахтах, где ПР выполняют роль регуляторов нагрузок в часы максимумов энергосистемы, но не используются для выравнивания собственных графиков нагрузок в другие периоды суток, их неравномерность между максимумами вырастает и в ряде случаев требуется увеличивать пропускную способность отдельных элементов системы электроснабжения чтобы избежать их перегрузки, дополнительных потерь электроэнергии и снижения надежности электроснабжения [3].

Ленточный конвейерный транспорт шахты по своему технологическому назначению является транспортным объектом, обслуживающим очистные забои и, следовательно, вопрос о регулировании режимов работы конвейеров имеет реальный смысл только в сопоставлении с интенсивностью забойного грузопотока. Управление по критерию «минимальные удельные энергозатраты» может быть достигнуто за счет обеспечения в процессе работы конвейерной линии наиболее выгодное, по соображениям экономии электроэнергии, соотношение параметров – «уровень загрузки ленты – величина скорости ленты», не ограничивая при этом производительность забоя. Так как шахтные грузопотоки характеризуются большой неравномерностью и периодами отсутствия поступления груза, вызванными технологическими простоями добычных машин, то требуется регулирование скорости ленты [4].

В принципе возможно два способа регулирования режима работы конвейера: непрерывный и дискретный [2].

В данной работе предлагается использовать дискретное регулирование линейной скорости ленты, которое позволяет снизить потребление электроэнергии на 5-21% по сравнению с нерегулируемым приводом. При этом необходимо использовать регулятор скорости ленты конвейера, который обеспечивает при переключении работы конвейера с одной скорости на другую такое изменение частоты вращения приводного электродвигателя, при котором отсутствуют опасные динамические нагрузки на ленту, что повышает надежность конвейерной установки. В работе произведено моделирование САР в среде Micro-CAP для выбора автоматического регулятора скорости ленты конвейера и определения его параметров. В качестве выходного параметра принята скорость ленты, величина которой может быть измерена с достаточной точностью.

На рисунке 2 представлены переходные процессы САР скорости ленты при изменении режима работы конвейера с использованием различных законов регулирования.

Анализ переходных процессов позволил сделать выводы (см. рисунок 2):

• при использовании И-регулятора получены следующие параметры системы: перерегулирование σ = 7,7%; время переходного процесса t_п.п = 0,8с, что не соответствует настройке регулятора на технический оптимум;
• при использовании ПИ-регулятора получены следующие параметры системы: перерегулирование σ = 8,5%; время переходного процесса t_п.п = 0,62с, что также не соответствует настройке регулятора на технический оптимум;
• при использовании ПИД-регулятора получены следующие параметры системы: перерегулирование σ = 2,8%; время переходного процесса t_п.п = 0,12с, что соответствует настройке регулятора на технический оптимум.

Следовательно, в данной САР необходимо использовать ПИД-регулятор.

На угольном предприятии в режиме регулятора нагрузки энергосистемы целесообразно организовать работу насосных установок водоотлива, которые характеризуются свободным цикличным графиком работы во времени и большой энергоемкостью.

Согласно Правилам безопасности в угольных шахтах главные водоотливные установки должны откачать максимальный суточный приток воды за 20 часов. Главные водоотливные установки относятся к тем установкам, которые можно выключить без ущерба производству при наличии свободной емкости водосборника достаточного объема для приема воды с горных выработок на период отключения водоотлива. Применение известных способов регулирования насосов (дросселирование потока воды, впуск воздуха во всасывающий трубопровод, изменение частоты вращения насоса) для условий шахтного водоотлива с целью снижения расхода электроэнергии нецелесообразно, ввиду незначительной глубины регулирования и других факторов. Необходимо организовать работу насосной установки таким образом, чтобы откачка воды из водосборника осуществлялась во временных зонах с наименьшей стоимостью электроэнергии и не осуществлялась в период максимальной стоимости электроэнергии или в период максимальной нагрузки на энергосистему [6].

Смещение нагрузок водоотливных установок с периодов максимума нагрузки энергосистемы на другое время суток приводит к снижению нагрузок, участвующих в максимуме энергосистемы, и к экономии значительных сумм в уплате за электроэнергию для горных предприятий.

В зависимости от принципа создания условий, обеспечивающих внепиковое потребление энергии водоотливом, условно можно выделить следующие два метода автоматического управления: автоматического предпикового включения и автоматического управления при наличии избыточных гидравлических мощностей [5].

В данной работе для изменения режима работы главной водоотливной установки в период максимальной нагрузки на энергосистему был принят способ принудительного включения со ступенчатым регулированием подачи, так как он отличается высокой точностью и надежностью организации работы водоотлива и рекомендуется для управления мощными водоотливными установками.

Вентиляторные установки на горных предприятиях служат для проветривания горных выработок и поддержания в них комфортных и безопасных условий труда путем создания атмосферных условий, при которых состав, скорость перемещения и температура воздуха соответствовали бы требованиям ПБ [9].

Согласно Правилам безопасности в угольных шахтах главные вентиляторные установки не могут быть выключены, допускается только их регулирование.

В зависимости от типа вентилятора в принципе возможны два способа регулирования режима работы установки:

• регулирование поворота лопаток направляющего аппарата (центробежные вентиляторы) или поворота лопаток рабочего колеса (осевые вентиляторы);
• регулирование частоты вращения вентилятора путем изменения частоты вращения приводного электродвигателя.[7]

Технические средства автоматизации и структура системы автоматического оперативно-диспетчерского управления угольным предприятием.

Рисунок 3 – Структурная схема устройства измерения активной мощности УИАМ

На рисунке 3 обозначено: ТН – трансформатор напряжения НОЛ.11-605; ТТ – трансформатор тока ТОЛК – 6-1; МК – микроконтроллер; УСО – блок согласования; ЛС – линия связи.

Класс точности устройства УИАМ составил 1,5%, что достаточно для технического контроля расхода электроэнергии потребителем.

Для изменения режима работы ленточного конвейера в работе предложена подсистема автоматического регулирования электропотребления ленточным конвейером, входящая в состав системы автоматического оперативно-диспетчерского управления шахтой.

На рисунке 4 приведена структурная схема подсистемы автоматического регулирования электропотребления ленточным конвейером.

На рисунке 4 приняты следующие обозначения: ЭВМ – промышленный компьютер, который входит в состав АСУ ТП «Электроснабжения» и осуществляет централизованный контроль за расходом электроэнергии по энергоемким технологическим процессам и формирует необходимые «советы» на изменение режима работы установок, в том числе конвейерных, для уменьшения потребления электроэнергии, если это технологически возможно и не нарушает требования правил безопасности. Устройство КРОК – комплекс технических средств автоматического контроля работы очистного комбайна, который предназначен для определения режима работы добычного комбайна: включен или выключен, работает под нагрузкой или на холостом режиме, фиксирует местонахождение комбайна в лаве [9]. Устройство УКРК – микропроцессорное устройство корректировки режима работы конвейера, которое взаимодействует с ЭВМ, устройством КРОК и автоматизированной конвейерной установкой и формирует значения уставки на регулятор скорости ленты конвейера. Автоматизированная конвейерная установка это конвейерная установка, которая оснащена аппаратурой автоматизации. В настоящее время практически все ленточные конвейерные линии шахт автоматизированы, как правило, аппаратурой АУК.1М, которая обеспечивает централизованное управления процессами пуска-останова конвейеров и автоматическую защиту от развития аварии при возникновении аварийных ситуаций. По нашему мнению, для управления конвейерными установками необходимо применять компьютерно-интегрированные системы автоматизации, которые имеют возможность координации роботы конвейерного транспорта с помощью ЭВМ и допускают расширение при необходимости состава технических средств, в частности в нашем случае, использования автоматических регуляторов скорости ленты. Система САР – это принятая система регулирования частоты вращения приводного электродвигателя конвейера.

Таким образом, при поступлении команды от ЭВМ о необходимости регулирования скорости ленты – переходе в энергосберегающий режим, устройство УКРК определяет загрузку ленты углем в соответствии с режимом работы комбайна и формирует необходимую, экономически выгодную, уставку по скорости в САР. Система автоматического регулирования переводит частоту вращения приводного электродвигателя на заданную скорость ленты без опасных динамических нагрузок на ленту.

В дальнейшем планируется разработка подсистемы управления главной водоотливной установкой, в том числе и в период максимальной нагрузки на энергосистему, разработка математических моделей режимов работы энергоемких технологических установок, моделирование различных режимов работы шахтных технологических установок.

Разработка средств учета электроэнергии и средств передачи информации о состоянии технологических установок шахты позволит построить систему с использованием современной элементной базы, что, в свою очередь, повысит быстродействие, точность и надежность системы автоматического оперативно-диспетчерского управления.