ДонНТУ   Портал магистров

Киселёва Яна Андреевна

Электротехнический факультет

Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок

Специальность Электромеханические системы автоматизации и электропривод

Исследование и обоснование параметров системы плавного пуска шахтного ленточного конвейера

Научный руководитель: к.т.н., Лавшонок Андрей Валерьевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор литературных источников
• 3.1 Способы пуска двигателя
• 3.2 Серийные аппараты плавного пуска и системы soft start ленточных конвейеров
• Выводы
• Список источников

Введение

Наш регион всегда славился добычей полезных ископаемых, а именно угольной промышленностью. Важную роль в данной отрасли занимает транспортные системы, обеспечивающие доставку из места добычи угля, непосредственно, к месту переработки и хранения для дальнейшего применения по назначению. Одним из основных непрерывных транспортных средств в угольных шахтах является ленточный конвейер, который переправляет добытый уголь из лавы, поэтому, к нему, как и ко всем шахтным системам, предъявляются высокие технические требования. Широкое применение конвейерного транспорта объясняется его преимуществами перед транспортом других видов при перемещении значительных объемов грузов на небольшие расстояния. К таким преимуществам относятся: простота конструкции, надежность в работе, высокая производительность и небольшие эксплуатационные расходы. В настоящее время, горные работы в шахтах проводятся на значительной глубине, возникает потребность в увеличении длины конвейерных лент, из-за этого возникает потребность рассмотрения возможных оптимальных вариантов плавного пуска двигателя конвейера для увеличения их производительности. Данная работа будет посвящена исследованию технических и энергетических характеристик плавного пуска ленточного конвейера.

1. Актуальность темы

Обеспечение надежной работы ленточного конвейера, без пробуксовок и резких толчков позволяет увеличить срок службы деталей конвейера за счет уменьшения возможной деформации ленты, в следствии, повышает долгосрочность оборудования и оптимизирует производство по добыче шахтных ресурсов.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью магистерской работы является исследование энергетических показателей плавного пуска электропривода ленточного конвейера и определение эффективных методов их улучшения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить литературу по шахтным конвейерным установкам и различным способам пуска электропривода шахтного ленточного конвейера, выбрать оптимальное;
2. Разработать математическую модель устройства плавного пуска шахтного ленточного конвейера под нагрузкой, максимально приближенную по основным характеристикам к реальному объекту;
3. Проанализировать на основании исследований на математической модели различные методы улучшения энергетических характеристик устройства плавного пуска ленточного конвейера;

Объект исследования: Устройство плавного пуска шахтного ленточного конвейера

Ученые, занимающиеся рассмотрением вопросов применения устройства плавного пуска: проф. Б.А. Кузнецов, к.т.н. В.М. Назаренко, проф. И.Г. Штокман, проф. Л.Г. Шайхмейстер, проф. В.Г. Дмитриев и многие др.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

На основании проведенного анализа определить достоинства и недостатки различных способов исполнения устройства плавного пуска и определить наиболее эффективные методы пуска электродвигателя шахтного ленточного коныейера.

3. Обзор литературных источников

В данной работе используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, за счет своей простой конструкции и дешевизны является распространенным и имеет обширный ряд преймуществ.Состоит из следующих основных частей: статор с трехфазной обмоткой, ротор с короткозамкнутой обмоткой . Обмотка ротора выполнена бесконтактной (она не соединена ни с какой внешней цепью), что определяет высокую надежность такого двигателя.Работа любого асинхронного двигателя начинается с его пуска.

3.1 Различные способы пуска двигателя

Прямой пуск электродвигателя

Данный вид пуска за счет своей дешевизны и простоты является самым распространенным и компактным. Исполнение включает в себя довольно простую схему исполнения, которая состоит из линейного контактора и теплового или электронного реле перегрузки. Недостатком данного способа является возрастание пускового тока. В случае прямого пуска электродвигателей конвейера, происходит механический удар, что в свою очередь приводит к ускоренному износу оборудования (электродвигатель, редуктор, лента и пр.), а также происходит бросок тока, в результате чего, в сети может возникнуть просадка напряжения. Номинальное значение пускового тока превышает значение тока двигателя в 6-8 раз, хотя и действует кратковременно. Тем не менее, существуют ситуации, когда этот метод подходит.[1]

Пуск по схеме «Звезда – треугольник»

Этот метод пуска используется для двигателей, которых в номинальном режиме работы соединен треугольником. В начальный момент разгона двигателя, его обмотки соединены звездой, что обеспечивает пониженный ток. По истечении определенного времени подключение меняется на «треугольник», что обеспечит полный ток и крутящий момент. При подключении по схеме «треугольник» напряжение на каждой обмотке двигателя соответствует напряжению в сети. Ток двигателя разделяется между двумя параллельными обмотками с коэффициентом 1/v3 от общего тока. Если сопротивление каждой обмотки двигателя равно Z, то сумма сопротивлений для параллельных обмоток — Z/v3. Если двигатель подключен звездой (Y), его обмотки соединены последовательно. Полученное полное сопротивление равно v3*Z, в результате чего оно будет в (v3*Z)/ (Z/v3) = 3, т. е. в 3 раза выше сопротивления при подключении по схеме «треугольник». Поскольку уровень напряжения один и тот же, ток при подключении по схеме «звезда» будет составлять 1/3 тока при подключении треугольником. Поэтому при пуске с помощью схемы звезда/ треугольник ток при подключении звездой будет равен 33 % от тока двигателя, подключенного треугольником. Так как напряжение сети неизменно, при соединении звездой напряжение снижается, т. к. напряжение на каждой обмотке двигателя будет составлять 1/v3 линейного напряжения. Данное пониженное напряжение также приведет к снижению крутящего момента. На практике данное значение составляет 25 %, т. к. присутствуют дополнительные потери, а также другие особенности, связанные с эффективностью подключения по схеме «звезда». Данный способ пуска наиболее эффективен при пуске без нагрузки или при очень слабо загруженном пуске, однако при пуске двигателя под большой нагрузкой его применение невозможно для достижения номинальной скорости необходимо переключение на треугольник, которое часто приводит к высоким переходным значениям и большого по амплитуде пикового тока. В некоторых случаях пиковый ток может превышать значение тока при прямом пуске. Кроме того, как и при прямом пуске, единственным способом остановки двигателя при использовании схемы звезда-треугольник является прямой останов[1]

Преобразователь частоты

Преобразователь частоты также иногда называют VSD (приводом с регулируемой скоростью вращения), VFD (приводом с регулируемой частотой вращения) или просто приводом. Он состоит из двух основных блоков, один из которых преобразует переменный ток (50 или 60 Гц) в постоянный, а второй — преобразует постоянный обратно в переменный, но с частотой 0-250 Гц. Управляя частотой тока, привод может регулировать скорость двигателя. Во время пуска привод увеличивает частоту от 0 Гц до частоты сети (50 или 60 Гц). Благодаря постепенному увеличению частоты можно считать, что двигатель работает на своей номинальной скорости для данной частоты. Кроме того, поскольку можно считать, что двигатель работает на своей номинальной скорости, номинальный крутящий момент доступен сразу, а ток будет приблизительно равен номинальному. Как правило, привод отключается, если ток превышает номинальный в 1,5 раза. При использовании привода для управления двигателем также можно выполнить плавный останов. Это особенно полезно при останове насосов, т. к. позволяет избежать гидравлического удара, а также повреждения конвейерных лент. Во многих установках необходимо непрерывно регулировать скорость вращения двигателя, для этого очень хорошо подходит частотное регулирование. Тем не менее, во многих случаях привод используется только для запуска и останова двигателя, хотя необходимость в непрерывном регулировании скорости отсутствует. Такое решение является излишне дорогим по сравнению с, например, устройством плавного пуска. При сравнении устройства плавного пуска и привода последний имеет гораздо большие физические размеры и занимает больше пространства. Привод также намного тяжелее, чем устройство плавного пуска, что делает его менее желательным решением, например, на подвижном транспорте, где вес имеет большое значение. Наконец, так как привод изменяет частоту и фактически создает синусоидальную волну, при его использовании в сети будут появляться гармоники. Для уменьшения влияния данных проблем используются дополнительные фильтры и экранированные кабели, но гармоники, как правило, невозможно устранить полностью.

Применение устройства плавного пуска

Необходимость в сравнительно дешевых устройствах для запуска двигателей с ограничением тока в процессе разгона привела к широкому распространению устройств плавного пуска (УПП). Функциональная схема УПП представляет по существу силовую схему и принцип управления преобразовательного устройства, известного под названием тиристорного регулятора напряжения (ТРН). За счет возможности регулирования напряжения на зажимах двигателя обспечивается формирование тока и момента двигателя в пусковом режиме. УПП, по существу ТРН, в который введены замкнутая система автоматического регулирования тока и устройство параметрического (функции времени) задания амплитуды тока. В результате УПП реализует формирование заданного ограниченного тока и момента двигателя в процессе пуска. Традиционная система плавного пуска изборажена на рисунке обеспечивает снижение пускового тока на заданном уровне (не более 2…3 Iн). При этом резко уменьшаются электродинамические усилия в обмотках и связанное с ними механическое разрушение изоляции обмоток. Снижение пусковых моментов благоприятно и для механической части привода. Устройство плавного пуска не изменяют частоту или скорость как это делает привод. Вместо этого оно плавно наращивает напряжение, которое подается на двигатель, от начального значения до полного. Первоначально напряжение на двигателе при пуске настолько мало, что можно регулировать только зазор между зубчатыми колесами или растяжимыми приводными ремнями и т. д., что позволяет избежать резких рывков при пуске. Постепенно напряжение и крутящий момент увеличиваются, а оборудование начинает ускоряться. Одним из преимуществ этого метода пуска является возможность точной регулировки крутящего момента в зависимости от потребностей, и наличия или отсутствия загрузки. Использование устройства плавного пуска позволяет уменьшить пусковой ток и тем самым избежать падения напряжения в сети. Также при этом уменьшается пусковой крутящий момент и механические воздействия на оборудование, что снижает необходимость в обслуживании и ремонте. Как и привод, устройство плавного пуска может выполнять плавный останов, устраняя гидроудар и скачки давления в насосных системах и позволяя избежать повреждения хрупкого материала на ленточных конвейерах.[2]

К основным параметрам системы, которые задаются и управляются с помощью УПП можно отнести:

Время разгона - это время, за которое система плавного пуска увеличит напряжение на выходе от начального до полного.

Время торможения - это время, за которое напряжение на выходе системы снизится от полного до напряжения остановки (начального напряжения). Если за установленное время двигатель не успевает затормозиться полностью, по дальнейшая остановка двигателя происходит на выбеге.

Ограничение тока может использоваться в тех случаях, когда требуется ограничение пускового тока или при пуске под большой нагрузкой, когда трудно обеспечить хороший старт заданием только начального напряжения и времени включения. При достижении предела ограничения тока система плавного пуска временно прекратит увеличение напряжения, пока ток не снизится ниже заданного предела, после чего процесс увеличения напряжения возобновится до достижения полного напряжения. Эта функция имеется не во всех УПП.

Управление моментом применяется в тех случаях, когда требуется обеспечить двигателю момент в течении всего времени пуска. При этом требуемый для пуска двигателя ток не должен превышать ток ограничения. Динамический момент может быть квазипостоянным во всем диапазоне изменения скоростей. Ругулирование момента позволяет использовать один темп разгона электродвигателя для обеспечения пуска без механических перенапряжений.

Функция BOOST поддержки напряжения позволяет получить пусковой момент для преодоления механического трения. Применяется, когда крутящий момент при пониженном стартовом напряжении недостаточен для трогания вала с места, но основной разгон уже стартовавшего двигателя можно выполнить и от пониженного напряжения[3]

Реакторный пуск

Данный способ пуска двигателя заключается в использовании трехфазного индуктивного сопротивления, что позволяет замедлить процесс нарастания тока. Осуществляется реакторный пуск двигателя таким образом. Первоначально двигатель питается через трехфазный, его сопротивление ограничивает величину пускового тока, таким образом из сети поступает в обмотку статора через реакторы, на обмотках происходит падение напряжения за счет индуктивного сопротивление реактора. В результате на обмотку статора подается пониженное напряжение. По достижении нормальной частоты вращения включается выключатель, который шунтирует реактор, в результате чего на двигатель подается нормальное напряжение сети. Более универсальным является способ с понижением подводимого к двигателю напряжения посредством реакторов (реактивных катушек — дросселей).[1]

Характеристики

Пусковой ток: 4,5 In.

Пусковой момент: 0,5 - 0,75 Мn.

Пуск с возрастающим моментом нагрузки;

Увеличенный бросок тока;

Громоздкая пусковая аппаратура, требующая обслуживания;

Механические удары при пуске.

Автотрансформаторный пуск

Автотрансформаторный пуск, как и предыдущий способ, требует специального пускового аппарата - автотрансформатора, который удорожает установку. Коэффициент трансформации автотрансформатора, при пуске этим способом пусковой ток в сети и пусковой момент двигателя уменьшаются. В этом случае величина пускового момента при прочих равных условиях будет больше, чем при реакторном пуске, что, безусловно, является преимуществом способа пуска короткозамкнутых асинхронных двигателей с помощью автотрансформатора.Автотрансформаторный пуск осуществляется в следующем порядке. Сначала через автотрансформатор на статор двигателя подается пониженное напряжение. При этом пусковой ток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, измеренный на выходе автотрансформатора, уменьшается в К раз, где К — коэффициент трансформации автотрансформатора. Что же касается тока на входе автотрансформатора, то он уменьшается в К2 раз по сравнению с пусковым током при прямом включении двигателя в сеть. Дело в том, что в понижающем автотрансформаторе первичный ток меньше вторичного в К раз и поэтому уменьшение пускового тока при автотрансформаторном пуске составляет К2 раз[4]

Характеристики

Пусковой ток: 1,7 - 4 In

Пусковой момент: 0,4 - 0,85 Мn.

Дороговизна и низкая надежность;

увеличенные бросок тока и провал напряжения при включении на полное напряжение;

Громоздкая пусковая аппаратура, требующая обслуживания;

Механические удары при пуске.

3.2 Серийные аппараты плавного пуска и системы soft start ленточных конвейеров

Серия Altistart 48

УПП Altistart 48 представляет собой тиристорное переключающее устройство, обеспечивающее плавный пуск и остановку трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью от 4 до 1200 кВт. Оно объединяет функции плавного пуска и торможения, защиты механизмов и двигателей, а также связи с системами автоматизации. Характеристики алгоритма управления устройствами плавного пуска Altistart 48 обеспечивают высокую надежность, безопасность и простоту ввода в эксплуатацию.[6]

Основные функции Altistart 48:

специальный алгоритм управления моментом, реализованный в устройствах плавного пуска Altistart 48 (патент Schneider Electric);

поддержание момента, развиваемого двигателем во время ускорения и замедления (значительное уменьшение ударных нагрузок);

возможность закоротки устройства с помощью обходного контактора по окончании пуска с поддержанием электронных защит;

большой допустимый диапазон изменения частоты при питании от электроагрегатов;

Функции защиты двигателя и механизма:

встроенная косвенная тепловая защита двигателя;

обработка информации с терморезисторов (позисторов);

контроль времени пуска;

защита от недогрузки и перегрузки в установившемся режиме.

В типовом варианте, для управления одним или группой одинаковых по параметрам электродвигателей с помощью УПП Altistart 48 необходимо, соединить дискретные выходы контроллера с клеммами УПП Stop (активный сигнал 0 В) и Run(активный сигнал +24В). При этом «0» питания выходов контроллера необходимо объединить с клеммой COM УПП. Еще два дискретных выхода контроллера используются для управления входным и байпасным контакторами. Возможно, управление УПП и с помощью промежуточных реле при этом контакты реле служат для подачи на клеммы Stop и Run сигналов с клемм +24V и COM устройства плавного пуска. При проектировании необходимо помнить, что входы УПП RUN и STOP запрограммированы для команд пуска и остановки. Сигналы управления могут быть постоянными или импульсными. Два других входа LI3 и LI4 могут быть сконфигурированы для выполнения определенных функций. Список программируемых функций представлен в каталоге на Altistart 48 в разделе «Прикладные функции дискретных входов».Altistart 48 имеет два дискретных и три релейных выхода. Дискретные выходы LO1 и LO2 подключаются к соответствующим входам контроллера напрямую. Список программируемых функций представлен в каталоге на Altistart 48 в разделе «Прикладные функции дискретных выходов». Сигналы с реле R1, R2 и R3 подаются на соответствующие входы контроллера, при этом +24В питания входов контроллера подается на клеммамы R1С, R2C и R3С, а клеммы R1А, R2A и R3A соединяются с входами контроллера. При проектировании следует учитывать, что реле R1 может быть сконфигурировано для выполнения следующих функций:

Сигнализация о неисправности. Реле размыкается при появлении неисправности УПП.

Команда на изолирование. Реле размыкается по сигналу низкого уровня на входе STOP и в конце замедления по команде замедления.

Во всех случаях при размыкании реле R1 рекомендуется запрограммировать контроллер на отключение сетевого контактора. Реле R2 сконфигурированно только на функцию подключения байпасного контактора. Оно замыкается после окончания пуска и размыкается по команде STOP или при неисправности. Реле R3 конфигурируется на выполнение тех же функций, что и дискретные выходы LO1и LO2.Altistart 48 имеет один аналоговый выход АО1. Он позволяет передовать на аналоговый вход контроллера токовый сигнал 0-20 или 4-20 мА, содержащий информацию о величине текущего тока или момента двигателя, температуру двигателя, активную мощность.[6]

УПП типа SSM компании ABB

Каждое УПП является комплектным, автономным устройством одностороннего обслуживания. Силовая часть включает в себя вводной разъединитель, рассчитанный на отключение полного тока нагрузки, силовые плавкие предохранители, закреплённые вводной и обводной вакуумные контакторы, блок силовых тиристоров.

С целью минимизации компонентов и повышения тем самым надежности УПП цифровой контроллер управления тиристорами выполняет одновременно и функции защиты двигателя. Защиты работают как в режимах пуска и плавного останова, так и при работе двигателя напрямую от сети с включенным обводным контактором. Специализированного устройства РЗА не требуется.

Для удобства эксплуатации УПП выполнены по принципу Plug and play, т.е. требуется лишь подключение входа к питающей сети (3 фазы) и выхода - к двигателю (3 фазы). Все межблочные связи, защиты двигателя, источники питания и т.д. выполнены внутри самого устройства, дополнительных блоков, кабелей, напряжений цепей управления, монтажных работ не требуется.

С целью повышения надёжности УПП с номинальным током ниже 400 А выполняются невентилируемыми (отсутствуют вентиляторы охлаждения). Все УПП имеют степень защиты не ниже IP54 (стандарт) или IP 64 (опция) для работы в условиях повышенной загрязнённости.

Для удобства проектирования и размещения на объекте конструкция УПП предусматривает возможность двух вариантов его подключения: a. встраивание в щит КРУ (шинное подключение). В этом случае необходимость во внешней ячейке ввода (выключателе) с устройством РЗА отпадает (экономия – 20-30 kUSD на одно устройство), достигается двойное снижение занимаемой площади, двойное увеличение времени наработки на отказ. b. подключение кабелем снизу, сверху, сзади или с обоих боков. В этом случае (опция по желанию Заказчика) питание УПП осуществляется через внешнюю (избыточную) высоковольтную ячейку. Наличие же встроенных в УПП вводного и обводного контакторов позволяет держать выключатель этой внешней ячейки постоянно включенным и питающее напряжение – постоянно подведенным к УПП, а рабочие коммутации выполнять контакторами. Это позволяет внешнему выключателю работать в щадящем режиме за счет снижения числа коммутаций, однако, повышаются габариты и общая цена технического решения.[7]

Выводы

1. Проведенный обзор литературных источников по теме диссертационной работы показал, что для оптимального функционирования шахтного ленточного конвейера необходимо использовать УПП.
2. Анализ устройства плавного пуска обеспечит устранение провалов напряжения при пуске двигателя, позволит уменьшить пусковые токи в коммутационных аппаратах, кабеле и двигателе.
3. Горнодобывающее производство особенно нуждается в безопасном режиме работы, устройство плавного пуска максимально защищает от аварийных режимов работы (тепловая и токовая защиты).
4. Решение поставленной в магистерской работе задачи позволит получить практические рекомендации для эффективного использования устройства плавного пуска шахтного ленточного конвейера.

На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Ориентировочная дата завершения магистерской работы: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Андреев В.П. .Основы электропривода / В.П. Андреев, Сабинин Ю.А// Государственное энергетическое издательство – 1963. –с. 129-153.
2. Борисенко В.Ф. Электротехнические системы транспортных механизмов / [Борисенко В.Ф., Чепак А.А., Сидоров В.А., и др.] под ред. Борисенко В.Ф. – Донецк.: НПФ «МИДИЭЛ», 2007. С. 83-89
3. Мейстель А. М. и др. Комплектные тиристорные устройства для управления асинхронными электроприводами. -М.: "Энергия", 1971. - с. 27-35. 
4. 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
5. Техническая коллекция Schneider Electric. Выпуск 26 / Дроздов П.А, Потапов А.В, – М.: Издательский дом «Вильямс», 2009.с.12 –13 .
6. Учебное пособие по выбору и применению устройств плавного пуска ABB/: [Электронный ресурс]. – URL: http://www.lanitnord.ru/files/1sfc132060m0201_softstarters_manual_2014.pdf