ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

1. Актуальность темы

Шахтный скребковый конвейер является основным средством транспорта горной массы и доставки функциональных узлов ехнологического оборудования в очистном забое угольной шахты. Специфика конструкции его привода (применение не регулируемого по скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и гидромуфты) обуславливает высокоинтенсивный разгон скребковой цепи (с рывком в начале пуска) и выполнение доставочных операций на высокой (номинальной) скорости. Все это представляет опасность травматизма персонала и требует совершенствования конструкции привода.

Эффективным техническим решением в этом направлении следует считать применение двухскоростных асинхронных двигателей, имеющих синхронные скорости 1500 об/мин и 500 об/мин. Однако особенность их эксплуатации состоит в том, что при работе двигателя в его отключенной обмотке создается трансформаторная ЭДС, представляющая потенциальную опасность электропоражения.

Учитывая, что комплексные исследования электропоражающего фактора трансформаторной ЭДС в отключенной обмотке при работе двигателя типа ЭКДВФ не проводились, научную и практическую актуальность представляет исследование параметров трансформаторных ЭДС в отключенных обмотках двухскоростных двигателей в контексте возможности электропоражения человека.

2. Цель работы

Целью работы является повышение безопасности эксплуатации двухскоростного асинхронного двигателя в составе электропривода шахтного скребкового конвейера на основе исследования электропоражающей функции трансформаторной ЭДС в отключенной обмотке и обоснования структуры технических средств обеспечения электробезопасности эксплуатации.

3. Задачи исследований

К основным задачам исследований темы магистерской работы относятся следующие:

4. Предпологаемая научная новизна

Получила дальнейшее развитие математическая модель шахтного участкового электротехнического комплекса на основе применения систем дифференциальных уравнений, отличающаяся учетом влияния трансформаторных ЭДС отключенных обмоток двухскоростных двигателей на параметры тока в активно-емкостных проводимостях изоляции силовых кабельных присоединений.

Получены функциональные зависимости величины тока в цепи утечки на землю от величины трансформаторной ЭДС отключенной обмотки двухскоростного двигателя с учетом сечения и длины кабеля электропитания.

5. Планируемые практические результаты

Разработано устройство выявления утечки в цепи присоединения силового кабеля к отключенной обмотке статора двухскоростного асинхронного двигателя и ее защитного обесточивания в автономном исполнении.

6. Основное содержание работы

В первой главе содержится анализ состояния вопроса, сформулированы цели и задачи исследования. Электротехнический комплекс (ЭТК) шахтного участка является важнейшей структурной составляющей горного предприятия. К основным элементам ЭТК участка шахты относятся: участковая трансформаторная подстанция, автоматический выключатель, пускатели или станции управления, электродвигатели потребителей и кабельные линии [1]. Автоматические выключатели предназначены для оперативных включений и отключений напряжения на низковольтных распределительных пунктах технологических участков шахты, а так же автоматического отключения напряжения вследствие короткого замыкания, исчезновения напряжения в сети, либо по команде внешнего устройства защиты [2, 3, 4]. Магнитные пускатели предназначены для дистанционного включения и отключения асинхронных электродвигателей технологических машин и установок шахт [5]. К участковым потребителям электроэнергии относят конвейер, комбайн, маслостанция и другие механизмы. Рабочее напряжение в шахте – 660 В, либо 1140 В [6]. Характерной особенностью ЭТК шахты является обязательное соблюдение режима изолированной нейтрали трансформатора. Благодаря этому становится возможным применение защиты человека от электропоражения при касании к фазе сети.

Существующие аппараты защиты функционируют на основе сравнения постоянного оперативного тока, подающегося в сеть, с эталонным током. При условии, что оперативный ток становится выше эталонного, формируются команды на защитное отключение сети.

Специфической особенностью шахтной кабельной сети является наличие емкостной проводимости изоляции. Это создает дополнительный путь тока через человека при касании к фазе сети. С целью повышения электробезопасности современные средства защиты от утечки тока на землю оснащены автоматическими компенсаторами (аппарат АЗУР-1 и АЗУР-1м) либо статическими компенсаторами (РУВ-1140, АЗУР-4), настроенным на емкость сети 0,5 мкФ/фазу. При этом ускорение обесточивания человека достигается за счет создания искусственного замыкания на землю фазы, которой он коснулся.

Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что существующая защита от утечек тока на землю в полном объеме позволяет предотвратить электропоражение человека, обусловленное воздействием энергетического потока трансформаторной подстанции.

Характерной особенностью современного ЭТК шахты является все более широкое применение двухскоростных двигателей. Основной объект использования таких двигателей – шахтный скребковый конвейер (СК). В то же время проблемным вопросом остается обеспечение электробезопасности человека в условиях воздействия на него обратного энергетического потока асинхронного двигателя (АД) на интервале возникновения утечки и, в том числе, после отключения электросети. Расчетная схема электросети участка шахты приведена на рисунке 1 [7].

Расчетная схема электросети участка шахты

Рисунок 1 – Расчетная схема электросети участка шахты

Доставочные операции осуществляются на номинальной скорости, которая напрямую зависит от типа СК и колеблется в пределах 1,08–1,2 м/с. В связи с этим, действующими нормативами в отношении приводов СК установлено обязательное использование доставочной скорости, которая не должна превышать 1/3 от номинальной скорости. С этой целью Первомайским электромеханическим заводом им. К. Маркса начался выпуск двухскоростных асинхронных электродвигателей серии ЭДКВФ (рис.2) [8, 9].

Конструкция двухскоростного асинхронного двигателя серии ЭДКВФ производства Первомайского электромеханического завода им. К. Маркса (Украина)

Рисунок 2 – Конструкция двухскоростного асинхронного двигателя серии ЭДКВФ производства Первомайского электромеханического завода им. К. Маркса (Украина)

Конструктивно такие двигатели имеют две статорных обмотки с разным числом пар полюсов (например, 4 и 12). В зависимости от того какая статорная обмотка находится в работе двигатель способен создавать синхронную скорость 1500 и 500 об/мин [10].

Для дистанционной коммутации двухскоростного АД предполагается наличие специального комплектного устройства управления, оснащенного двумя обособленными контакторами, к выходам которых посредством гибких кабелей присоединяются соответствующие статорные обмотки (рис.3) [5].

Схема электропитания двухскоростного АД

Рисунок 3 – Схема электропитания двухскоростного АД

Наличие двух статорных обмоток с разным числом полюсов на одном магнитопроводе АД создает предпосылки появления трансформаторного эффекта при включении одной из обмоток, что создает потенциально опасные состояния.

В условиях лабораторного стенда осциллографированием выявлены параметры ЭДС в отключенной обмотке статора при подключении к сети другой статорной обмотки (рис. 4) [11]. Так при работе АД с номинальной скоростью в обмотке пониженной скорости генерируется трехфазная ЭДС частотой 1650 Гц, а при подключении к сети обмотки пониженной скорости, в обмотке номинальной скорости генерируется ЭДС частотой 650 Гц.

Осциллограммы ЭДС статора двухскоростного АД на неподключенных обмотках «пониженной скорости» (а) и «номинальной скорости» (б)

Рисунок 4 – Осциллограммы ЭДС статора двухскоростного АД на неподключенных обмотках «пониженной скорости» (а) и «номинальной скорости» (б)

Поскольку эксплуатация двухскоростного АД связана с наличием активных и емкостных проводимостей изоляции гибкого кабеля, то создается опасность электротравматизма при касании человеком фазы сети с изолированной нейтралью. Интерес представляет изучение процесса формирования ЭДС в отключенной обмотке статора при условии применения наиболее распространенных марок кабеля с учетом их длины, сечения и возможных активных сопротивлений изоляции. Емкостные сопротивления изоляции в данном случае определяются сечением и протяженностью конкретного кабеля [12].

Рассмотрим ситуацию, когда СК работает на номинальной скорости, принята марка кабеля КГЭШ сечением 25–70 мм² и длиной 10–300 м. Активные сопротивления изоляции: 100 кОм/фазу, 50 кОм/фазу и 31 кОм/фазу (предельно допустимое сопротивление изоляции в сети 660 В).

Исходя из анализа формы ЭДС (рис. 4), процесс формирования трехфазной ЭДС отключенной обмотки статора может быть представлен в виде последовательного функционирования соответствующих фазных источников электропитания с различной частотой. Этим будет моделироваться воздействие на процесс зубцовой ЭДС ротора. Примем активное сопротивление утечки тока равное 1 кОм [13]. Структурная схема компьютерной модели представлена на рис. 5.

Структурная схема компьютерной модели исследования тока утечки на землю в отключенной обмотке пониженной скорости двухскоростного АД: РА – амперметр; Ос – осциллограф; ИП – соответствующие источники питания; Rут – активное сопротивление утечки; Rиз – активное сопротивление изоляции; Сиз ф – емкость изоляции на фазу

Рисунок 5 – Структурная схема компьютерной модели исследования тока утечки на землю в отключенной обмотке пониженной скорости двухскоростного АД: РА – амперметр; Ос – осциллограф; ИП – соответствующие источники питания; Rут – активное сопротивление утечки; Rиз – активное сопротивление изоляции; Сиз ф – емкость изоляции на фазу

В результате моделирования процессов в отключенном присоединении двухскоростного АД получена осциллограмма трансформаторной ЭДС в обмотке статора (рис. 6).

Фрагмент осциллограммы с виртуального осциллографа

Рисунок 6 – Фрагмент осциллограммы с виртуального осциллографа

Данная ЭДС состоит из двух составляющих: несущей частоты и частоты заполнения. Измеряя параметры по осциллограмме (рис. 4), вносим их в структуру модели и получаем следующие обобщенные данные (рис. 7) [12].

Результирующий график утечки тока

Рисунок 7 – Результирующий график утечки тока

Анализ результатов моделирования позволяет сделать вывод об опасности электропоражения человека при касании к фазе отключенной обмотки пониженной скорости работающего двухскоростного АД, а АЗ любого типа не реагирует на утечку тока неподключенной обмотки статора (рис. 8). Это требует введения соответствующтх защитних устройств.

Прикосновение человека к различным присоединениям двухскоростного АД

Рисунок 8 – Прикосновение человека к различным присоединениям двухскоростного АД
(анимация: 15 кадров, 5 циклов повторения, 168 килобайт)

Список источников

  1. К. Маренич, С. Карась, Є. Ковальов, С. Василець, В. Ставицький, С. Дубінін, І. Ковальова, О. Бурлака, Р. Єшан, С. Руссіян, Л. Локтіонова. Звіт з науково-дослідницької держтеми № Н 8–04, Наукове обґрунтування раціональних способів експлуатації низьковольтних електротехнічних комплексів гірничих підприємств (завершальний) / К. Маренич, С. Карась, Є. Ковальов, С. Василець, В. Ставицький, С. Дубінін, І. Ковальова, О. Бурлака, Р. Єшан, С. Руссіян, Л. Локтіонова, 2008. – 166 с.
  2. В.А. Чумаков, М.С. Глухов, Э.Р. Осипов. Руководство по ревизии наладке и испытанию подземных электроустановок шахт / Под ред. В.В. Дегтярёва, Л.В. Седакова. 2-е изд.,–М.: Недра, 1989. – 614 с.
  3. Дзюбан В.С. Взрывозащищённые аппараты низкого напряжения / Дзюбан В.С. – М. Энергоатомиздат, 1993. – 240 c.
  4. В.С. Дзюбан, И.Г. Ширнин, Б.Н. Ванеев, В.М. Гостищев. Справочник энергетика угольной шахты / Под общ. Ред. Б.Н. Ванеева. – 2-е изд. – Донецк, ООО «Юго-Восток Ltd.», 2001 – Т2, 440 с.
  5. К. Маренич, В. Калинин, В. Ставицкий, К. Староверов, С. Дубинин, А. Бурлака, Р. Ешан, Г. Чекавский, С. Руссиян. Отчет о научно-исследовательской гостеме № Н 2–2001, Научное обоснование параметров шахтной участковой электрической сети повышенного уровня эксплуатационной безопасности и разработка технических решений их реализации (заключительный) / К. Маренич, В. Калинин, В. Ставицкий, К. Староверов, С. Дубинин, А. Бурлака, Р. Ешан, Г. Чекавский, С. Руссиян, 2003. – 169 с.
  6. Щуцкий В.И., Волощенко Н.И., Плащанский Л.А. Электрификация подземных горных работ: Учебник для вузов / Щуцкий В.И., Волощенко Н.И., Плащанский Л.А. – М.: Недра, 1986. – 364 с.
  7. Маренич К.Н., Василец С.В. Наукові праці ДонНТУ Випуск 20 (182). Статья: Исследование влияния ЭДС вращения группы двигателей в режиме выбега на величину тока утечки в электросети участка шахты.
  8. Номенклатурный справочник продукции АО «Первомайский электромеханический завод имени Карла Маркса». – Донецк, 2003.
  9. Электродвигатель асинхронный типа ЭКВФ355L12/4. Руководство по эксплуатации ВГИЕ. 526726.002 РЭ.
  10. Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІ науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 17–20 травня 2011 р. – Донецьк, ДонНТУ, 2011.–306 с. Статья Мартынюк Л.В., студент; Маренич К.Н. Моделирование обратных энергетических потоков в отключенной обмотке статора двухскоростного двигателя с целью совершенствования защиты от утечек тока на землю.
  11. К.М. Маренич, Ю.В. Товстик, В.В. Турупалов, С.В. Василець, І.Я. Лізан. Автоматизований електропривод машин і установок шахт і рудників: навч. посібник для вузів / Під загальною редакцією К.М. Маренича. – Донецьк: ДонНТУ, Харків: УІПА, 2011. – 244 с.
  12. Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІІ науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 17–20 травня 2012 р. – Донецьк, ДонНТУ, 2012. – 300 с. Статья Мартынюк Л.В., студент; Маренич К.Н. Исследование возможности электропоражающего фактора отключенной обмотки двухскоростного асинхронного двигателя при его эксплуатации в шахтной электросети.
  13. Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей до 1200 В. Общие технические условия. ГОСТ 22929-78, 16 с.