Виконав ОСТРОУХОВ IВАН ОЛЕГОВИЧ

ВИМОГИ ДО СУЧАСНИХ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПРИВОДА ШАХТНИХ ПІДНІМАЛЬНИХ ПРИСТРОЇВ

Електропривод шахтних піднімальних машин.

Критерії вибору систем електропривода ШПП.

Розходження в режимах роботи піднімальних пристроїв, рівні керованості, технології роботи, потужності привода визначають застосування систем електропривода й дозволяють у конкретному випадку вибрати раціональний варіант привода.

Основними показниками для порівняння різних систем привода й автоматики шахтних піднімальних машин повинні бути як економічні, так і технічні параметри:
-величина ефективної потужності піднімального електродвигуна;
-капітальні витрати на електроприлади: вартість приладів і його монтаж, габарити й вага електроприладів, зручність монтажу, займані площі, будівельні витрати, строки окупності витрат;
-експлуатаційні дані, що включають величину встановленої потужності, коефіцієнт корисної дії, витрата активної й реактивної потужності;
-простота й надійність автоматизації, економічна ефективність автоматизації, чіткість і точність виконання заданої діаграми швидкості, забезпечення заданої продуктивності й підвищення продуктивності піднімальної установки.

Порівняльна оцінка приводів Асинхронний привод з контактним регулятором ковзання.

У цей час на шахтах і рудниках широко розповсюджений і дотепер застосовується привод змінного струму з асинхронним двигуном з фазним ротором, керований реостатом у ланцюзі ротора. Основні переваги цього привода полягають у його структурній простоті, малій вартості обладнання й будівельно-монтажних робіт. Перевагою асинхронного привода є простота обслуговування, малі витрати часу на відновлення при відмовах, простота резервування електрообладнання. Застосування динамічного гальмування в значній мірі поліпшує керування асинхронним приводом:
-забезпечує плавність зміни й додатка навантажень на елементи машини;
-створює можливість глибокого регулювання швидкості при спуску вантажів, одержання стійкої зниженої швидкості, що спрощує ручне керування приводом.

Недоліки привода з асинхронним двигуном з фазним ротором і роторним реостатом досить істотні й полягають у наступному.
-Асинхронний привод не має регулювальні якості, необхідними для шахтних піднімальних машин. Механічні характеристики асинхронного двигуна з фазним ротором і роторним реостатом є нелінійними, виключають однозначність між положенням рукоятки керування й швидкістю при різних навантаженнях. Незадовільна керованість, сильна залежність зниженої швидкості від зміни навантаження несприятливі для виконання робочих діаграм ШПМ. Незадовільним є й природні гальмові характеристики асинхронного двигуна, тому що неможливо здійснення електричного гальмування на швидкості нижче синхронної при нормальному включенні двигуна. Для керування асинхронним двигуном піднімальної машини вимушено використаються різні характеристики при пуску, і при керуванні на проміжних швидкостях. Низька керованість привода ускладнює здійснення автоматизації піднімальних пристроїв. Практично всі піднімальні установки з асинхронним приводом з реостатом у ланцюзі ротора керується оператором підйому, при цьому є присутнім і має велике значення людський фактор, що в 90% випадків є причиною аварій на піднімальних пристроях.
-Енергетичні показники визначаються висотою підйому, відношенням Vср/Vмакс, тривалістю роботи на знижених швидкостях, відношенням часу включення двигуна в циклі до часу циклу, часом завантаження підйому протягом доби.
-Застосування асинхронного привода на підйомах значної потужності при збільшеному часі роботи на знижених швидкостях характеризуються високими тепловими втратами в роторному ланцюзі двигуна й витратою електроенергії. Регулювання швидкості супроводжується більшими витратами в роторному реостаті.
-Асинхронний привод має низький cos φ: на скіпових підйомах він становить 0,6-0,65, на клетевих - 0,35-0,5 залежно від особливостей робочих діаграм.

При всіх своїх недоліках асинхронний привод з реостатом у роторному ланцюзі двигуна дотепер широко використовується на малозавантажених клетевих підйомах і допоміжних стовбурах. Привод постійного струму по системі ТП-Д.
Завдання подальшого підвищення ефективності роботи шахтних піднімальних пристроїв, їхньої продуктивності й безпечної експлуатації не можуть бути вирішені без удосконалювання як самих піднімальних машин, так і їхніх електроприводів.
Для сучасних приладів головних підйомів, що відрізняються великою вантажопідйомністю та швидкістю руху, застосовуються електроприводи з тиристорними перетворювачами для живлення двигуна постійний або змінного струму.
За минулий час для таких підйомів на території СНД найбільше поширення одержали електроприводи системи ТП-Д. Це обумовлено простим і економічним перетворенням електроенергії змінного струму в керовану енергію постійного струму, і, як наслідок, розвиток цього напрямку в продукції електротехнічної промисловості - силові трансформатори для перетворювачів постійного струму, спеціальні двигуни постійного струму, розроблені для роботи із ТП (зокрема двигуни для шахтних піднімальних машин серії П2Ш, виробництва ХЭМЗ) і самі тиристорні перетворювачі - серії КТЭУ й далі УКТЭШ, виробництва ХЭМЗ, випуск яких у цей час припинений через їх морально застарілу конструкцію.
Головні переваги привода ТП-Д - це висока швидкодія, одержання потрібних характеристик і точності керування, завдяки яким полегшуються процеси керування. Завдяки високій керованості привода, по системі ТП-Д просто здійснити автоматизацію руху піднімальної машини. Електропривод піднімальної установки на базі тиристорного перетворювача УКТЭШ-МП дозволяє:
-сформувати оптимальну діаграму швидкості, тобто максимальну продуктивність, що забезпечує, за умови неперевищення припустимого рівня динамічних навантажень в елементах піднімального пристроя;
-перед стопорінням знижувати швидкість до 0,2м/с, що забезпечує необхідну точність зупинки піднімальних посудин у крапках зупинки й знижує динамічні навантаження у момент стопоріння машини механічним гальмом;
-дозувати з необхідною точністю момент піднімального двигуна при нульовій швидкості, що дозволяє починати рух при повністю розгальмованій машині.

До недоліків тиристорного привода по системі ТП-Д у застосуванні до шахтних піднімальних машин варто віднести наступне:
-У приводі по системі ТП-Д через живлення двигуна й інших приладів пульсуючим струмом збільшуються електричні втрати, знижується наведений К.К.Д.
-Привод по системі ТП-Д піднімальних машин характеризується низьким коефіцієнтом потужності. На скіпових машинах з односкладовими діаграмами руху він виявляється не більше 0,6-0,65, а для многогоризонтових клетевих машин з роз'їздами між обріями на зниженій швидкості - не більше 0,35. Для поліпшення cos φ необхідне застосування додаткового встаткування, обсяг якого зростає в перший період експлуатації підйомів, коли номінальна швидкість, як правило не використається, є малий ступінь заповнення діаграми швидкості й cos ? ще більше зменшується.
-Привод по системі ТП-Д має деякі недоліки стосовно живильної мережі. При пуску привода по системі ТП-Д виникають поштовхи реактивної потужності й спадання напруги електромережі через тверде з'єднання привода з електромережею. Повторювані й неконтрольовані в часі пуски декількох приводів піднімальних машин збільшують спадання напруги електромережі, можуть привести до його коливань, що перевищують норми Дст. При роботі ТП генеруються вищі гармоніки, що негативно впливають на інші электроприймачи.

Для обмеження цих впливів працюючого ТП на живильну мережу необхідне виконання деяких умов при проектуванні системи електропостачання підприємства й самого електропривода, а саме:
-вибір системи електропостачання з найбільшим значенням потужності короткого замикання на живильних шинах ТП. Для знову споруджуваних підприємств при проектуванні системи електропостачання необхідно приймати економічно обґрунтований струм к.з. на живильних шинах ТП, відповідно вибирати потужність живильних трансформаторів і типи токообмежуючих реакторів таким чином, щоб співвідношення потужності к.з. на живильних шинах підстанції до потужності ТП було не менш 50-70;
-вибір многопульсной схеми випрямлення. У перетворювачах DCS 600 застосовуються дві схеми випрямлення - 6-ти пульсная (одинарний міст) і 12-пульсная (подвійний міст).
-застосування фільтрів і регульованих пристроїв, що компенсують. Рекомендується при реконструкції діючих піднімальних пристроїв, де зміна потужності живильної підстанції економічно не обґрунтовано.
Характерні риси 12-пульсной технології:
-Привод складається із двох 6-пульсных перетворювачів;
-трансформатори, що погодять, із з'єднанням обмоток трансформаторів трикутник/трикутник і трикутник/зірка забезпечують на перетворювачах напруга з фазовим зрушенням векторів на 30^o.
-Наведений рівень гармонік на стороні змінної напруги для 12-пульсной схеми значно нижче в порівнянні з 6-пульсной: Конфігурація Гармоніки 6-пульсная 5-я, 7-я, 11-я, 13-я, 17-я, 19-я, 23-я, 25-я,... 12-пульсная 11-я, 13-я, 23-я, 25-я,...
-Можливість аварійної роботи з одним перетворювачем у випадку несправності в іншому перетворювачі. Аварійна робота можлива з 50 % навантаженням на двигуні.
-Підвищення ефективності (ККД) двигуна за рахунок зниження змінної складової постійної напруги.

Для керування електродвигуном змінного струму, на відміну від двигуна постійного струму, використовується значно більше число регульованих координат, що ускладнює рішення завдання керування із прийнятною точністю й швидкодією. Заводи електротехнічної промисловості СНД перетворювальну техніку, що задовольняє вимогам електропривода шахтних піднімальних установок, не роблять. Тому регульований електропривод змінного струму піднімальних установок на гірських підприємствах СНД широко не застосовується.

Із середини 80-х років у світовій практиці електроприводів для шахтних піднімальних установок широке поширення одержали регульовані електроприводи по системі перетворювач частоти з безпосереднім зв'язком з мережею (циклоконвертор) - синхронний двигун змінного струму. Головним достоїнством цього електропривода вважалося застосування менш дорогого й більше надійного синхронного двигуна замість двигуна постійного струму. Однак на цьому всі достоїнства вичерпувалися, тому що сам перетворювач (циклоконвертор) виявлявся великим, значно більше дорогим і менш надійним аналогічного по потужності перетворювача постійного струму. До того ж більше негативний вплив циклоконвертора на живильну мережу вимагало застосування більше великих та дорогих фильтрокомпенсуючих пристроїв. Рекомендації з вибору систем приводів для піднімальних пристроїв У цей час немає однозначного рішення на вибір системи електропривода до кожного типу піднімальної машини. Зменшення розглянутих варіантів електроприводів можливо за рахунок використання при порівнянні таких критеріїв:
1)відносна вартість приводів;
2)необхідна потужність привода й максимальний момент при пуску;
3)рівень керованості у зв'язку із призначенням і технологією роботи піднімальної пристроя.

Розглянемо більш докладно варіанти електропривода по кожному з названих критеріїв. При виконанні техніко-економічного порівняння приводів одним з основних показників є капітальні витрати на електроустаткування, у які необхідно включити вартість електрообладнання, будівельні витрати й супутні капітальні вкладення. За цим критерієм без сумніву меншою вартістю володіє варіант електропривода з асинхронним двигуном з реостатом у ланцюзі ротора. Але застосування цього типу електропривода виправдане на малозавантажених клетевих і допоміжних підйомах, де при відносно малому часі роботи підйому неекономічність і низька керованість привода не позначаються на експлуатаційних витратах. Для клетевих піднімальних машин головних стовбурів при роботі з декількома обріями й для скіпових піднімальних пристроїв, що працюють на більших швидкостях і потребуючих автоматизаціях необхідно застосовувати регульований привод постійний або змінний токи. Область застосування редукторного привода обмежується припустимим крутним моментом на тихохідному валу редуктора.

При виборі між редукторним і безредукторним приводом необхідно враховувати деяке збільшення капітальних витрат при безредукторному приводі й значні переваги за експлуатаційними показниками. Це дозволяє рекомендувати безредукторний привод для більшості піднімальних пристроїв при потужності двигуна вище 1000 кВт.

На барабанних піднімальних машинах потужність приводного двигуна може визначатися необхідним пусковим моментом при русі з максимальної глибини. При однакових умовах підйому (висота, маса вантажу, що піднімає,) піднімальні пристрої зі шківом тертя вимагають значно меншої потужності при пуску в порівнянні з барабанною машиною за рахунок загальної врівноваженості системи підйому. При цьому на машині зі шківом тертя пусковий струм буде значно нижче, що знизить вплив привода на живильну мережу.
За критерієм впливу електропривода на живильну мережу безумовним лідером є електропривод змінного струму з перетворювачами частоти фірми АВВ. Такі електроприводи можуть бути рекомендовані для реконструкції діючих піднімальних установок, де зміна потужності підстанції й установка фильтрокомпенсуючих пристроїв неможлива через обмеженість розмірів промислової площі.
Застосування привода змінного струму з перетворювачами частоти може виявитися доцільним у наступних випадках:
-потужність шахтної підстанції відносно невелика й не допускає пускових навантажень від ТП постійного струму;
-реактивні потужності при пуску привода ТП-Д піднімальних машин створюють неприпустимі спадання напруги й коливання напруги;
-приводи піднімальних машин вилучені від живильної й розподільної підстанції, що харчують лінії мають більшу довжину й опір, при яких застосування системи ТП-Д викликало б неприпустимі за Дст падіння й коливання напруги мережі;
-до живильної підстанції підключається значне число приводів, що впливають на електромережу погіршенням гармонійного состава напруги до неприйнятного рівня. У таблиці наведені можливі границі застосування різних систем електропривода.

Система ЕП	Потужність привода,кВ	Вид підйома
		Клетевий		Скиповий	Проходческий
		Допоміжний	Головний
Асинхронный однодвигуновий	315 - 1250	+	-	-	+
Асинхронный дводвигуновий	630 - 2500	+	-	-	+
ТП-Д чи ПЧ-АД редукторний однодвигуновий	315 - 1600	-	+	+	+
ТП-Д чи ПЧ-АД редукторний дводвигуновий	630 - 3200	-	+	+	+
ТП-Д чи ПЧ-СД безредукторний	630 - 6300	-	+	+	-
ПЧ-СД безредукторний	свыше 6300	-	+	+	-

Вариант барабанної піднімальної машини:

Рисунок-анімація 1. Розрахована діаграма швидкості підйому

Рисунок-анимация 2. Розрахована діаграма навантажень за цикл підйому (кН)

Рисунок-анимация 3. Розрахована потрібна потужність за цикл пiдйому (МВт)