ВВЕДЕНИЕ
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ РАБОТЫ
КРИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
ВЫВОДЫ
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ВВЕДЕНИЕ

Конвейерный транспорт является неотъемлемым технологическим процессом горного предприятия. Его эффективность оказывает значительное влияние на угледобычу всего предприятия в целом. Автоматизация конвейерного транспорта предусматривает повышение эффективности процесса доставки путём снижения затрат на обслуживание и ремонты, а также за счёт уменьшения времени простоя и увеличения производительности.

Целью автоматизации конвейерного транспорта является повышение эффективности и безопасности работы конвейерных линий. Для достижения этой цели требуется решить две основные задачи:
1) управление процессом пуска и останова конвейеров;
2) автоматическое регулирование производительности конвейеров для стабилизации грузопотока.

Из вышесказанного видно, что среди актуальных вопросов, касающихся режимов работы конвейера и эффективной его эксплуатации, лежит вопрос проблематики пуска.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ РАБОТЫ

В существующих УПП используется фазовое управление подаваемого напряжения, реализуемое тиристорным преобразователем. Но при фазовом регулировании на выходе преобразователя получается напряжение плохого качества, при котором пуск характеризуется наличием переходных процессов, как в электроприводе, так и в механической части конструкции. Переходные процессы сопровождаются резкими изменениями различных параметров состояния во времени, в том числе и усилие в ленте. При этом значение данной переменной могут меняться в значительной степени, выходя за пределы допустимых или даже критических. Перегрузки при пуске конвейера могут привести к опасному снижению запаса прочности привода и ленты. Поэтому, анализируя вышеперечисленное, можно сделать вывод что проблема плавного пуска очень актуальна на сегодняшний день.

Это означает, что существует необходимость в поиске альтернативных средств управления напряжением питания асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором. Одной из таких альтернатив является замена принципа фазового регулирования – широтно-импульсным регулированием напряжения. В соответствии с этим принципом силовые ключи между источником питания и нагрузкой коммутируются с высокой частотой на протяжении периода напряжения питания. Управляемая величина – длительность включенного состояния силового ключа при постоянном значении несущей частоты. Среднее значение выходного напряжения за период несущей частоты определяется скважностью импульсов управления силовым ключом, а также мгновенными значениями напряжения питания. Реализация этого способа возможна при использовании транзисторов с изолированным затвором (IGBT), которые характеризуются высокими энергетическими и динамическими показателями [1].

КРИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

С точки зрения обеспечения требований, предъявляемых к приводу ленточных конвейеров, этот привод имеет недостатки. К недостаткам электропривода с асинхронным короткозамкнутым электродвигателем следует отнести резкое увеличение пускового момента и, следовательно, возможность появления высоких натяжений в конвейерной ленте и пробуксовки на приводных барабанах.

Значительного улучшения рабочих характеристик электропривода достигают включением в схему привода специальных пусковых устройств:

1. Пусковые гидромуфты замкнутого типа, обеспечивающие плавный пуск и необходимое распределение нагрузки между двигателями многодвигательных приводных станций. Гидромуфты имеют серьезные недостатки, т.к. механическая характеристика гидромуфты не позволяет осуществить разгон тягового органа конвейера с необходимой интенсивностью; срабатывание защиты вызывает опасность для обслуживающего персонала и простой конвейера, обусловленный временем на повторную заливку в неё эмульсии, установку новой плавкой пробки.

2. Электромагнитная муфта скольжения. К недостаткам электромагнитных муфт скольжения относится следующее: в процессе разгона конвейера вихревые токи, возникающие в якоре муфты, вызывают ее сильный нагрев, что требует, особенно при большой мощности привода, довольно сложной системы охлаждения муфты; индуктор, к которому подводится постоянный ток через кольца, должен быть во взрывобезопасном исполнении, чтобы отвечать условиям работы во взрывоопасной атмосфере угольных шахт; электропривод с электромагнитной муфтой скольжения и короткозамкнутым асинхронным двигателем требует два вида тока — переменного и постоянного, что также усложняет систему питания привода. Поэтому по указанным причинам работы в области создания электромагнитных муфт скольжения для ленточных конвейеров в настоящее время не получают развития.

3. Электродвигатели с фазным ротором. Обеспечение плавного пуска в таких электроприводах осуществляется введением сопротивления в роторную цепь электродвигателя. В качестве сопротивления используют металлический ступенчатый реостат или бесступенчатый — жидкостный. Жидкостные реостаты выпускаются на широкий диапазон мощностей и изготовляются во взрывобезопасном исполнении, что позволяет использовать приводы этого типа в угольных шахтах. He менее широкое распространение получил привод с электродвигателем с фазовым ротором и металлическим реостатом, включенным в цепь ротора. Введение сопротивлений осуществляют при помощи электромагнитных контакторов. Существуют также приводы с двигателями с фазовым ротором, в цепь которого включены неуправляемые индукционные реостаты. Применение данного метода имеет ряд таких недостатков, как изнашивание контактных колец, большие потери на регулировочном сопротивлении, уменьшение жесткости характеристик с ростом сопротивления, большая стоимость отностельно двигателя с КЗ ротором.

4. Электропривод переменного тока на базе асинхронного двигателя с фазным ротором по системе асинхронного вентильного каскада (АВК). Недостатки данной схемы – дороговизна реализации и сопутствующие недостатки двигателя с фазным ротором.

5. Схема импульсного регулирования частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором. Регулирование жесткости механической характеристики в данной схеме производится изменением сопротивления в цепи выпрямленного тока импульсным методом. В электроприводе ленточного конвейера с асинхронным короткозамкнутым двигателем импульсное регулирование тока возможно лишь в статорной цепи. Импульсный метод управления асинхронным двигателем является наиболее простым и легко реализуемым. Однако этот метод обладает рядом существенных недостатков. При таком способе регулирования имеет место непрерывное протекание переходных процессов и связанное с этим протекание по обмоткам двигателя свободных составляющих переходных токов, обусловливающих нагрев двигателя и появление знакопеременных ударных моментов, ухудшающих качество переходного процесса при пуске конвейера.

6. Частотное регулирование асинхронного двигателя с помощью преобразователя частоты (ПЧ). ПЧ обеспечивает плавное регулирование частоты в требуемом диапазоне. Основные недостатоки ПЧ — это его дороговизна и большие габариты.

7. Параметрический метод управления асинхронным двигателем. При таком методе воздействуют на величину приложенного к приводному двигателю напряжения. Реализуется при пуске двигателя с короткозамкнутым ротором двумя основными методами:

1) Детерминированным фазированием, т. е. поочередным включением статорных обмоток двигателя на сеть в моменты времени, соответствующие определенной фазе питающего напряжения, что исключает появление апериодических составляющих пускового тока и позволяет получить динамическую механическую характеристику, близкую к статической.

2) Плавным увеличением по линейному или экспоненциальному закону напряжения, подводимого к двигателю. Полное время нарастания питающего напряжения при этом должно быть не менее времени затухания апериодической составляющей тока, т. е.

где tн. — время нарастания питающего напряжения; Хк, rк — параметры короткого замыкания схемы замещения асинхронного двигателя; ω0 — угловая частота сети.

Подавление знакопеременных ударных моментов в значительной степени увеличивает плавность пуска, а следовательно, долговечность и надежность работы как электропривода, так и тягового органа [2].

Взрывозащищенные устройства плавного пуска конвейеров такого рода выпускаются рядом зарубежных фирм, среди которых ведущее положение занимают такие фирмы, как «Hansen & Reinders», «Elgor & Hansen», «Hamacher» и другие. Отечественной промышленностью выпускается два аппарата плавного пуска АПМ-200 и УКТВ-400 (ЗАО НПП «Макеевский завод шахтной автоматики») [5]. Так же в УкрНИИВЭ было создано взрывозащищенное комплектное устройство плавного пуска типа КУВПП-250УХЛ5. Отличительной особенностью зарубежных устройств является то, что они представлены в виде комплектных устройств в больших корпусах и для отечественных потребителей слишком дорогостоящи.

Аппарат АПМ предназначен для плавного пуска серийных и разрабатываемых однодвигательных ленточных конвейеров и канатно-кресельных дорог, оснащенных асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, а также для плавного динамического торможения электропривода ленточного конвейера после его отключения.

Электрическая схема аппарата обеспечивает:

• плавный пуск рабочего органа конвейера за заданной программой;
• изменение продолжительности разгонки конвейера;
• динамическое торможение электропривода после его отключения;
• изменение тормозного момента;
• реверс электропривода с помощью разъединителя магнитного пускателя;
• защита силовых тиристоров аппарата от перегрева, от токов короткого замыкания, от потери управления силовыми тиристорами при исчезновении импульсов управления, в одном или нескольких каналах, от потери фазы входного напряжения;
• индикацию о включенном (выключенном) состоянии аппарата и о срабатывании защиты.

Аппарат оборудован контактором, который шунтирует силовые тиристоры после завершения плавного пуска рабочего органа конвейера. При необходимости им можно осуществить прямой пуск электродвигателя.

Стоимость аппарата АПМ значительно уступает стоимости аналогичных заграничных устройств, которые вместе с его функциональностью делает аппарат АПМ особенно привлекательным для отечественных потребителей.

Аппарат выполнен в взрывозащищенной оболочке. Основой аппарата есть трехфазный тиристорный регулятор (ТРН) (рис. 1), что состоит из шести однооперационных тиристоров. Седьмой тиристор обеспечивает роботу приводного АД в режиме индукционно-динамического торможение. Тиристоры размещены на внутренней поверхности крышки взрывозащищенной оболочки, которые обеспечивают отток тепла во внешнюю среду. В основном отсеке расположенный контактор КМ, который шунтирует тиристоры после завершения разгона двигателя. Кроме этого в основном отсеке установлены блоки выходных трансформаторов (БВТ) для обеспечения гальванической развязки, автоматического управления (БАУ), импульсно-фазового управление (БИФУ) для формирования импульсов отпирание тиристоров, динамического торможение (БДТ), защиты аппарата (БЗА) для защиты аппарата от аварийных режимов работы, синхронизации (БС) для синхронной работы БИФУ, индикации (БИ), питание (БП) для питание блоков аппарата, а также датчики тока, температуры.

Рисунок 1 – Структурная схема аппарата АПМ

Таким образом, существующие устройства устройства для плавного запуска асинхронных двигателей используют фазовый принцип регулирования исходного напряжения - за счет формирования заданных углов α управление тиристорами. При этом отключение силовых ключей естественное - при снижении тока к нулю. Это разрешает использовать относительно недорогие однооперационные тиристоры, которые характеризуются высокими энергетическими показателями.

Вместе с очевидными преимуществами (надежность, отсутствие устройств искусственной коммутации) подобная система имеет важные недостатки, которые касаются качества исходных параметров, влияния на питательную сеть и энергетические показатели привода [3].

Взрывозащищенное комплектное устройство плавного пуска типа КУВПП-250УХЛ5, предназначенное для плавного пуска трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, используемых в приводе ленточных конвейеров и других горных машин в угольных шахтах, опасных по газу или угольной пыли.

Устройство обеспечивает плавный пуск асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором с регулируемой длительностью от 5 до 20 с.

Устройство допускает не более четырех пусков с интервалом 1 мин или до восьми пусков в час по условиям нагревания двигателя. Электрическая схема устройства обеспечивает:

• визуальную индикацию готовности к пуску после подачи напряжения на устройство;
• визуальную индикацию ожидания пуска и времени пуска;
• визуальную индикацию тока электродвигателя в ходе пуска и после его окончания;
• дистанционное управление при помощи кнопочного поста управления или контактов аппаратуры автоматизированного управления, установленной отдельно от устройства;
• подключение температурной защиты, встроенной в электродвигатель и имеющей релейный выход;
• защиту от токов короткого замыкания (КЗ) отходящих от устройства силовых цепей и световую сигнализацию после ее срабатывания. Полное время срабатывания при токах, превышающих уставку устройства максимальной токовой защиты в 1,5 раза, не должно превышать 0,12 с;
• токовую защиту от перегрузки двигателя и световую сигнализацию после ее срабатывания;
• электрическое блокирование, препятствующее включению контакторов устройства при сопротивлении изоляции в отходящих силовых цепях ниже 30 кОм при напряжении сети до 660 В и ниже 100 кОм при напряжении сети 1140 В и световую сигнализацию после срабатывания блокировки;
• нулевую защиту;
• защиту при обрыве или увеличении сопротивления заземляющей цепи между устройством и управляемым электроприемником до 50 Ом и более;
• защиту от потери управляемости при замыкании проводов цепи дистанционного управления между собой или с заземляющим проводом;
• защиту от самовключения устройства при кратковременном (не более 1 с) повышении напряжения питающей цепи до 1,5 Uном, при этом устройство должно оставаться в работоспособном состоянии;
• проверку действия устройства предварительного контроля изоляции;
• световую сигнализацию о включенном состоянии разъединителя и контакторов;
• срабатывание общесетевой защиты от утечек на землю в случае «сваривания» силовых контактов вакуумных контакторов в любом из трех полюсов в отключенном положении устройства (при наличии подключенного двигателя);
• искробезопасность цепей дистанционного управления;
• защиту от перегрева силовых тиристоров и визуальную индикацию температуры;
• защиту в цепи внешней нагрузки напряжением 36 В:
  1. от токов КЗ;
  2. от токов утечки;
  3. предварительный контроль изоляции отходящей линии.

В устройстве предусмотрена возможность переключения на режим работы без плавного пуска. При этом устройство работает как обычный пускатель.

В основу работы устройства плавного пуска положен принцип питания трехфазного асинхронного двигателя путем постепенного увеличения напряжения при пуске, обеспечиваемого тиристорным переключателем, состоящим из шести тиристоров включенных по два встречно-параллельно в каждой фазе питающей сети.

Тиристорный переключатель позволяет плавно изменять напряжение при постоянной частоте сети за счет момента открывания тиристора. Управление скоростью нарастания выходного напряжения обеспечивается микропроцессорным блоком управления (MK).

Пусковой момент двигателя изменяется пропорционально квадрату напряжения при фиксированной частоте. Плавное увеличение напряжения исключает бросок тока в момент включения, при этом также исключается механический удар в системе двигатель-редуктор горной машины.

В программу микропроцессора MK заложена функция контроля тока нагрузки. Эта функция выполняет защиту от обрыва фазы, защиту от перегрузки двигателя и поддерживает кратность ограничения пускового тока по отношению к номинальному, задаваемую пользователем посредством переключателей.

MK выполнен в металлическом корпусе. На его передней стенке имеется жидкокристаллический дисплей для отражения основных настроек и параметров. Программирование параметров пуска осуществляется с помощью многопозиционных переключателей, расположенных на задней стенке, посредством которых задаются следующие параметры:

• время пуска;
• номинальный ток;
• кратность пускового тока;
• стартовое напряжение (%).

Рисунок 2 – Структурная схема устройства плавного пуска
Анимация: количество слайдов - 10; задержка между слайдами – 1с;
количество повторов – 7; размер анимации - 42Кб.
Т – датчик тока; К – блок комплексной защиты;
MK – микропроцессорный блок управления; 1 – тиристорный переключатель;
КМ – вакуумный контактор; М – асинхронный двигатель

Тиристорный переключатель выполнен в виде модуля, состоящего из шести тиристоров, установленных на общем радиаторе. Для принудительного воздушного охлаждения радиатор тиристорного переключателя снабжен вентилятором. Контроль температуры радиатора осуществляется полупроводниковым датчиком, сигнал от которого передается в MK. Значение температуры выводится на дисплей. При нагреве радиатора свыше 80 °С MK отключает устройство. В модуле имеется также плата трансформаторов, обеспечивающих гальваническую развязку схемы управления тиристорами от силовой и плата синхронизации схемы управления с каждой фазой сети.

В устройстве применены два вакуумных контактора. Контактор КМ1 шунтирует тиристорный переключатель по окончании разгона, чтобы предотвратить чрезмерное повышение температуры тиристоров в замкнутом пространстве взрывонепроницаемой оболочки. Контактор КМ2 обеспечивает в отключенном состоянии, по сравнению с тиристорами, более надежную изоляцию отходящей силовой цепи.

Алгоритм работы MK построен таким образом, чтобы при выполнении команды «ПУСК» (проиллюстрировано на анимации) обеспечить бездуговую коммутацию контакторов, т.е. включается КМ2, открываются тиристоры, включается КМ1, закрываются тиристоры, отключается КМ2. При выполнении команды «СТОП» включается КМ2, открываются тиристоры, отключается КМ1, закрываются тиристоры, отключается КМ2 [4].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В результате исследований было произведено моделирование процессов в АД при фазовом (рис. 3) и широтно-импульсном (рис. 4) регулировании напряжения подводимого к двигателю.

Рисунок 3 – Принцип фазового регулирования переменного напряжения

Где:

α – угол отпирания тиристора;

T – период коммутации;

t – длительность коммутации;

uвых – напряжение на выходе преобразователя;

uс – напряжение сети

Рисунок 4 – Принцип широтно-импульсного регулирования переменного напряжения

В результате моделирования процессов в АД при фазном регулировании было определено, что потребляемый ток на нагрузке отличается от синусоидального и амплитуды 5-й, 7-й, 11-й, 13-й гармоник тока сопоставимы с 1-й гармонической составляющей, особенно при малых значениях относительного напряжения (рис. 5.б). Также оказывается существенное влияние на коэффициент мощности сети (рис. 6). Все это негативно сказывается на энергомеханических показателях и сроков службы привода.

Рисунок 5 – Зависимость гармонического состава тока АД от выходного напряжения при широтно-импульсном регулировании (а) и фазовом регулировании (б)

Где:

v1w, v5w, v7w, v11w, v13w и v1f, v5f, v7f, v11f, v13f – 1-я, 5-я, 7-я, 11-я, 13-я гармонические составляющие тока АД при широтно-импульсном регулировании и фазовом регулировании соответственно;

Uw, Uf – относительные значения напряжения.

Результаты моделирования процессов в АД при широтно-импульсном регулировании показали, что амплитуды гармоник тока, кроме 1-й, пренебрежимо малы (рис. 5.а), что обуславливает существенную близость потребляемого тока к синусоиде.

Рисунок 6 – Зависимость коэффициента мощности сети от выходного напряжения при широтно-импульсном(χw) и фазовом регулировании(χf)

Все это и отсутствие влияния на коэффициент мощности (рис. 6), позволяет сделать вывод, что применение широтно-импульсного регулирования напряжения в УПП позволяет: приблизить регулируемый сигнал к синусоидальному, оптимизировать пусковой и тормозной моменты для безударных разгонов и остановок приводимых механизмов, продлить срок использования подшипников, зубьев колес редукторов, ленты и т.д. [1]

ВЫВОДЫ

В ходе проведения исследования были сформулированы основные требования к электроприводу ленточного конвейера, проанализированы основные задачи автоматизации конвейерного транспорта и освещена пробелема пуска. Был произведен обзор основных существующих технических решений обеспечения плавного пуска ленточного конвейера. Данные решения были проанализированы с точки зрения надежности, функциональности и экономической рентабельности, были подчеркнуты основные преимущества и недостатки того или иного метода.

В заключении работы были рассмотрены современные устройства плавного пуска, были отмечены их преимущества и недостатки. Были представлены преимущества применения широтно-импульсного регулирования перед фазовым регулированием на основе результатов моделирования обоих методов. Сформулирована перспектива дальнейших исследований.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Ставицкий В.Н., Горбунов Е.Ю. Применение широтно-импульсного регулирования переменного напряжения в устройстве плавного пуска (УПП) привода ленточного конвейера. // Материалы IX Международной научно-технической студенческой конференции. – Донецк: ДонНТУ, 2010. – с. 133 – 136
2. Малиновский А.К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников: Учебник для вузов. – М: Недра, 1987. – 277с.
3. Ставицкий В.Н., Маренич К.Н. Полупроводниковый преобразователь для автоматизированного электропривода горной машины. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск 58. – Донецьк: ДонНТУ, 2003. – с. 122 – 129
4. «Взрывозащищенное устройство плавного пуска типа КУВПП-250 УХЛ5». Электронный ресурс. Режим доступа: http://ukrniive.com.ua/ru/article/soft_start.htm
5. «Макеевский завод шахтной автоматики». Электронный ресурс. Режим доступа: http://mzsha.inf.ua
6. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М: Издательский дом Додэка-XXI, 2001. – 384с.
7. Справочник по автоматизации шахтного конвейерного транспорта / Стадник Н.И. и др. К.: Техника, 1992. – 438с.
8. Технические средства автоматизации в горной промышленности: Учебное пособие / В.И. Груба, Э.К. Никулин, А.С. Оголобченко. – К.: ИСМО, 1998. – 373 с
9. Батицкий В.А., Куроедов В.И., Рыжков А.А. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности: Учебник для техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1991. – 303 с.
10. Руденко В. С. Преобразовательная техника. Київ: Вища школа, 1983. – 431 с.
11. Автоматизация подземных горных работ / Под ред. Проф. А.А. Иванова. – К.: Вища школа, 1987. – 328с.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

ВВЕРХ