Шахтные подъемные установки предназначены для выполнения важнейшей транспортной функции на горном предприятии - перемещению персонала, горной массы и оборудования по шахтным стволам и наклонным выработкам. В соответствии с этим различают клетевые и скиповые установки, а также шахтные подземные подъемные машины и лебедки, которые составляют отдельную группу технологических подъемных машин – установки одноконцевой откатки [1].
Типовая структура подъемной машины (рис. 1) предусматривает наличие базового элемента – автоматизированного электропривода с такими структурными элементами, как двигатель 1, редуктор 2, муфта 3, тормозное устройство 4. Рабочим органом привода является барабан 5 подъемной машины с канатом 6. Управление как в автоматическом, так и в ручном режимах осуществляется от пульта 7.
1 - двигатель; 2 - редуктор;
3 - муфта; 4 - барабан подъемной машины;
5 - канат; 6 - тормозное устройство; 7 пульт машиниста подъема
В отличие от главных шахтных подъемов (скиповые, клетьевые), в которых применяются, в основном, двигатели постоянного тока (системы Г-Д; ТП-Д), синхронные двигатели и асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (системы ПЧ-СД; ПЧ-АД), в приводах одноконцевой откатки применяют асинхронные двигатели с фазным ротором, которые предназначены для решения главной задачи – обеспечения плавного пуска, либо пуска по заданной диаграмме скорости.
Структурная схема данного объекта приведена на рис. 2.
Характерной особенностью работы подъемной установки является ее цикличность. При этом каждый цикл характеризуется периодами разгона, движения с постоянной скоростью, замедлением движения и паузой.
На шахтах применяются в основном две технологических схемы одноконцевых канатных откаток по наклонным выработкам: с закруглением и с заездом.
На рис. 3 приведены технологическая схема (а) и диаграммы (б) скорости v=f(t) и движущих усилий F=f(t) одноконцевой канатной откатки с закруглениями. В период t1 вагонетка с грузом трогается с места и движется по штреку. Период t2 и соответствует основному разгону и движению вагонетки с полной скоростью. В период t3 вагонетка замедляется при подходе к закруглениям на верхнем горизонте, движется с малой постоянной скоростью и останавливается (включаются тормоза лебедки). Период t8 соответствует отцепке груженой и прицепке порожней вагонеток. [3]
На рис. 4 приведены технологическая схема (а) и диаграммы скорости и усилий (б) для полного цикла работы одноконцевой откатки с заездом на верхнем горизонте. Из диаграмм следует, что при основ¬ном рабочем цикле одноконцевых откаток используются две скорости: максимальная и малая, составляющая 10—15% полной. Макси¬мальная скорость движения партии вагонеток принимается 3—5 м/с, а скорость вытягивания в заезд и прохождения закруглений — около 0,5 м/с. При движении вагонеток по промежуточным стрелкам (на схемах и диаграммах не показано) скорость снижается до 50% максимальной. Такая же скорость принимается при подъеме и спуске оборудования, людей и при других вспомогательных операциях.[3]
Исходя из технологических условий работы, кроме общих требований, предъявляемых к подъемным установкам, автоматизированная система одноконцевой откатки должна обеспечивать следующие дополнительные требования: поддерживание заданной диаграммы скорости подъема и спуска при изменении нагрузки лебедки в пределах от 20 до 130% номинальной; автоматическое выполнение заданной диаграммы скорости подъема при управлении с любой рабочей площадки наклонной выработки и заданной скорости спуска при управлении с ближайшей к лебедке приемной площадки; возможность ручного управления для выпол¬нения отдельных непредусмотренных основной тахограммой операций.
Все это требует применения эффективных и экономичных средств регулирования скорости приводных двигателей. Данная задача в настоящее время решается на основе использования реостатных, либо каскадных устройств управления скоростным режимом двигателя, что отличается низкой экономичностью, сложностью автоматизации поддержания заданной диаграммы скорости при колебаниях нагрузки (реостатное управление), либо значительной стоимостью (каскадное управление). Поэтому актуально дальнейшее совершенствование устройств автоматизации управления скоростным режимом одноконцевой откатки.
Целью исследования является повышение эффективности асинхронного электропривода одноконцевой откатки на основе обоснования параметров и применения тиристорного регулятора роторного тока.
Для достижения данной цели должны быть решены следующие задачи:
- анализ особенностей устройства и эксплуатации одноконцевых откаток;
- анализ существующих способов и устройств управления асинхронными двигателями;
- обоснование рациональности применения тиристорного регулятора роторного тока;
- алгоритмизация и разработка структурной схемы устройства управления;
- разработка принципиальной схемы функциональных блоков устройства управления;
- обоснование эксплуатационных требований к разработанному устройству.
Практическую актуальность представляет аналитический обзор известных способов регулирования скорости асинхронных двигателей, а именно:
- изменением частоты напряжения питания;
- изменением числа пар полюсов двигателя;
- изменением величины дополнительного роторного сопротивления;
- каскадное управление (асинхронный вентильный каскад).
В процессе частотного регулирования скоростного режима асинхронного двигателя важным является поддержание стабильной величины критического момента машины. Пренебрегая величинами активных сопротивлений обмоток двигателя (которые слишком малы), этот критический момент может быть представлен аналитическим выражением:
(1)
Учитывая на то, что индуктивные опоры обмоток двигателя определяются соответствующими индуктивностями L, а именно: 
, упрощаем формулу (1) :
(2)
В этом выражении величинами, которые подлежат управлению при применении управляющего воздействия относительно асинхронного двигателя является только величина напряжения питания и его частота. Число фаз m, количество пар полюсов р и индуктивности обмоток L1 и L'2 двигателя являются величинами неизменными и определяются особенностями конструкции последнего. Таким образом, условием обеспечения постоянной величины критического момента асинхронного двигателя при частотном регулировании является поддержание постоянного отношения величины напряжения питания двигателя к его частоте (правило М. П. Костенко):
Uф / f = const (3)
Уменьшение частоты при неизменной величине напряжения питания приведет к существенному увеличению момента двигателя (более, чем номинальный критический момент Мкр), который является опасным относительно повреждения механических элементов трансмиссии и должен сопровождаться повышенным потребляемым током за счет уменьшение индуктивных сопротивлений двигателя. В случае, если увеличить частоту напряжения питания асинхронного двигателя до величины, которая превышает частоту сети, то для обеспечения номинального критического момента (что отвечает работе двигателя при номинальном напряжении промышленной частоты) необходимым есть повышение величины этого напряжения питания. В условиях промышленного предприятия это требует применения специальной трансформаторной подстанции, рассчитанной на формирование исходного напряжения повышенной величины, и, соответственно, рассчитанной на это напряжение силовой коммутационной аппаратуры (автоматические выключатели, магнитные пускатели) и аппаратов защиты (в частности, от утечки тока на землю). Эти факторы являются объективными обстоятельствами, которые усложняют, а в большинстве случаев - делают невозможным применение режимов управления скоростными режимами горно-технологического оборудования при питании приводных асинхронных двигателей напряжением частоты, больше, чем промышленная частота сети (в Украине, - 50 Гц).
Для осуществления частотного регулирования угловой скорости находят применение преобразователи, на выходе которых по необходимому соотношению или независимо изменяется как частота, так и амплитуда напряжения.
Частотное регулирование угловой скорости является экономическим, поскольку управление двигателем делается при малых скольжениях. Кроме того, в замкнутых системах можно руководить двигателем, достигая минимума потерь в нем или минимума потребляемого двигателем тока или экстремума других энергетических показателей, поскольку есть возможность регулировать напряжение в функции нагрузки. Частотное регулирование угловой скорости обычно плавное, бесступенчатое. Но оно требует использования относительно сложного преобразователя. Большим достоинством частотного регулирования является возможность реализации высоких регулировочных свойств, которые не уступают приводу постоянного тока, в электроприводе с бесконтактным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором - наиболее простым, надежным и дешевым электрическим двигателем.
Недостатки частотного управления относительно реализации в приисковом выполнении и применения в составе пускового устройства:
- избыточность функций;
- дороговизна и сложность;
- габариты;
- сложность и стоимость РВ исполнения и охлаждения приборов в РВ корпусе.
Альтернативным решением является применение каскадного способа регулирования скоростного режима повода. Каскадные электроприводы позволяют полезно использовать энергию скольжения, повышая при этом эффективность электропривода, а также легко поддаются автоматизации и позволяют обеспечить оптимальный режим работы производственного механизма. Примером является асинхронно-вентильный каскад (АВК), принципиальная схема которого приведена на рис. 6.
Здесь асинхронный двигатель М подключен со стороны статора к сети переменного тока, роторная цепь его через выпрямитель В, инвертор И и трансформатор Т, который согласовывает, присоединяется к той же питающей сети. Для приглаживания выпрямленного тока и нормальной работы инвертора включенный реактор L. Принцип действия этого каскада заключается в том, что в цепь выпрямленного тока ротора вводится дополнительная ЭДС, получаемая регулированием угла ? опережения включения тиристоров инвертора. [2]
Ток ротора:
(4)
, где
- ЭДС холостого хода инвертора;
- суммарное падение напряжения в вентилях роторной и инверторной групп преобразователя;
Rэ - эквивалентное сопротивление, приведенное к роторной цепи.
Из (4) при Id=0, пренебрегая 
, получим выражение для скольжения при идеальном ходе АВК :
или выражение для угловой скорости холостого хода в каскадной схеме:
,
где 
- угловая скорость асинхронного двигателя на естественной характеристике.
После преобразований получаем приближенное выражение для момента
Формула не учитывает высших гармоник тока, искажений механических характеристик у области прерывистых токов, а также разных режимов работы выпрямителя, в которых внешняя характеристика выпрямителя резко падает.
Выразив момент в относительных единицах (по отношению к максимальному моменту в естественной схеме включения двигателя), можно получить образцовые механические характеристики АВК в двигательном режиме (рис.7).[2]
Асинхронно-вентильный каскад отличается значительной стоимостью и сложностью конструкции. Поэтому ниже рассмотрим реостатный способ регулирования скорости асинхронного электропривода.
Применение асинхронного двигателя с фазным ротором и реостатной (на основе жидкостных реостатов) системы регулирования скорости (рис. 8) позволяет осуществлять плавный разгон АД при постепенном повышении жесткости искусственных механических характеристик вплоть до перехода на естественную [3]. Реостатный способ управления наиболее оптимален из-за технической простоты и дешевизны.
Практика эксплуатации выявила ряд недостатков, связанных с применением жидкостных реостатов. К ним относится низкая надёжность их, обусловленная применением значительного количества перемещаемых элементов силовой цепи: электродвигатели ножей (4) реостата, насоса (7,8) для перекачки электролита (1) и калорифера (9 -11) для его охлаждения. В то же время, существует возможность совмещения принципов реостатного управления с регулированием роторного тока на основе применения бесконтактных (тиристорных) регуляторов и одной ступени роторных резисторов. В качестве регулятора может быть применён трёхфазный тиристорный коммутатор, состоящий из трёх пар встречно-параллельно соединённых тиристоров [4] с последовательно включенными активными сопротивлениями, либо мостовой выпрямитель, нагруженный активным сопротивлением с параллельным тиристорным ключом [5]. В последнем случае устраняется зависимость симметрии фазных роторных токов асинхронного двигателя от возможной неодинаковости величин роторных сопротивлений в фазах, что более приемлемо для обеспечения высокого ресурса АД.
Для уменьшения динамических перегрузок в трансмиссии целесообразным является выполнение разгона за заранее определенной диаграммой повышения скорости. Раньше выполненными исследованиями установленная целесообразность применения диаграммы разгона в несколько этапов с постепенным повышением ускорения для электроприводов подобных технологических машин [4]. С этой целью необходимо разработать соответствующее устройство задания скоростного режима привода.
Результаты разработок были представлены на конференциях и опубликованы в соответствующих сборниках:
1) Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. Сборник научных трудов X научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 18 - 20 мая в 2010 г. - Донецк, ДонНТУ, 2010. - 267 с.
2) Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. Сборник научных трудов XI научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 18 - 20 мая в 2011 г. - Донецк, ДонНТУ, 2010. –
Ожидаемым результатом магистрской работы является научное обоснование параметров системы управления тиристорным регулятором роторного тока в электроприводе одноконцевой откатки. В результате проведенных исследований на момент сдачи сайта получены следующие результаты:
- проведен анализ процесса одноконцевой откатки;
- выбран оптимальный способ регулирования угловой скорости ротора;
- рассмотрены существующие схемные решения в данной области.
При написании данного автореферата магистерская работа еще не была завершена. Дата окончательного завершения работы: конец 2011 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.