IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Объектом исследований является электропривод подъемных установок – основного транспортного средства, обеспечивающего жизнедеятельность шахт и рудников. Комплексное решение проблемы развития электропривода шахтных подъемных машин в направлении повышения их эффективности работы является актуальным. Электроприводы с преобразователями частоты позволяют значительно повысить сроки службы элементов механического оборудования и уменьшить простои, связанные с их выходом из строя благодаря плавному выбору люфтов, зазоров и «преднатяжению» элементов передачи с программируемым темпом в процессе запуска («линейная заводка» или S- характеристика), а также программной стабилизации пускового момента. Эти особенности обуславливают преимущества использования ЧРЭП в электроприводах в механизмах с тяжелыми условиями эксплуатации.

Вскрытие и отработка месторождения осуществляется в сложных горно-геологических условиях. Рудник «Интернациональный» АК «АЛРОСА» (ПАО) отнесен к опасным по выделению горючих газов и нефтепроявлениям, поэтому все горные работы должны выполняться в соответствии с требованиями федеральных норм и правил в области промышленной безопасности.

В настоящее время отработаны запасы I очереди месторождения (отм. -200 ... -560 м). Для вскрытия запасов II очереди отработки месторождения (отм. -560 ... -790 м) дополнительно предусматривается строительство слепого скипового ствола с внутришахтной подъемной установкой расположенной на отм. -560.

Основным и самым сложным элементом скиповой ШПУ является подъемная машина, которая находится в машинном отделении и с помощью подъемного каната производит подъем скипа по стволу шахты на поверхность, где руда разгружается в бункер обогатительной фабрики. Подъемный канат проходит через шкив, находящийся на копре. Под землей скип загружается с вагоноопрокидывателя через мерный ящик.

На крупных современных шахтах всегда имеется две-три действующие подъемные установки, при этом каждая из них выполняет свои особые функции (выдачу руды, спуск-подъем людей, выдачу породы и т.д.), а не являются резервом другой. Это придает большое значение подъемным установкам во всем комплексе электромеханического оборудования шахт и предъявляет к ним особые требования в отношении надежности и безопасности работы. От надежной, бесперебойной и производительной работы шахтного подъема зависит ритмичная работа всей шахты в целом.

Электропривод подъемных установок потребляет до 40% (иногда до 50%) всей электроэнергии, расходуемой шахтой. Подъемные машины устанавливаются на весь срок эксплуатации шахты.

Работа подъёмной установки характеризуется цикличностью, т. е. рядом сменяющихся циклов, следующих друг за другом. В свою очередь каждый цикл можно разбить на четыре основных периода: разгон, равномерное движение, замедление до полной остановки и пауза. Чтобы обеспечить требуемую производительность рудничного подъёма, каждый цикл должен укладываться в определенное, наперёд заданное время. Для этого необходимо выдерживать расчётные значения ускорения и замедления, максимальной скорости и паузы, т.е. выдерживать заданную диаграмму скорости. Диаграмма скорости подъёма (тахограмма) – это зависимость скорости движения подъёмных сосудов от времени.

В зависимости от назначения, вида и грузоподъёмности подъёмных сосудов, числа горизонтов и расстояния между ними диаграммы скорости могут быть трёх-, пяти-, шести- и семипериодными. Наиболее простые трёхпериодные диаграммы целесообразно применять для клетевых подъёмных установок с одноэтажными неопрокидными клетями при качающихся приёмных площадках. Наиболее сложные шести- и семипериодные диаграммы скорости необходимы при грузовом подъёме с опрокидными скипами. Это объясняется необходимостью ограничения скорости движения подъёмных сосудов в разгрузочных кривых.

Традиционный электропривод переменного тока шахтной подъемной машины (ШПМ) содержит высоковольтные асинхронные электродвигатели с фазным ротором, высоковольтные статорные реверсоры, роторные пусковые резисторно-контакторные станции управления (ПРКС) и станции динамического торможения (СДТ). Однолинейная структурная схема традиционного электропривода переменного тока ШПМ показана на рисунке 1.

Рис. 1. Однолинейная структурная схема традиционного электропривода переменного тока ШПМ.

Упомянутый привод имеет существенные недостатки, которые заключаются в следующем:

- использование коммутационной аппаратуры для пуска и регулирования скорости ограничивает по мощности применение асинхронного привода;

- асинхронный электропривод с роторной резисторно-контакторной станцией управления и динамическим торможением не обладает регулировочными качествами, необходимыми для ШПМ, не обеспечивает высокую точность управления и не позволяет автоматизировать управление ШПМ, что приводит к снижению производительности;

- при разгоне, торможении и работе ШПМ на пониженной скорости расходуется значительная электроэнергия, идущая на нагрев роторных сопротивлений ПРКС, нагрев электродвигателя и износ механических тормозов. Непроизводительно расходуемая электроэнергия повышает себестоимость продукции и снижает прибыль;

- асинхронный электропривод с пусковой резисторно-контакторной станцией потребляет из сети значительную реактивную мощность, которую необходимо оплачивать, либо компенсировать достаточно дорогими компенсаторами реактивной мощности.

Замена пусковой роторной резисторно-контакторной станции управления и станции динамического торможения на рекуперативный частотно-регулируемый электропривод ЧРЭП позволяет устранить все перечисленные выше недостатки электропривода переменного тока с асинхронными электродвигателями с фазным ротором.

Рис. 2. Однолинейная структурная схема электропривода с ЧРЭП.

Преобразователи частоты устанавливаются между цепью ротора асинхронного электродвигателя и питающей сетью, как показано на рисунке 2. Силовая схема преобразователя содержит два трехфазных транзисторных инвертора напряжения: роторный инвертор и сетевой инвертор. Цепи постоянного тока роторного и сетевого инверторов соединены и подключены к общему накопительному конденсатору. Цепь переменного тока роторного инвертора соединена с цепью ротора электродвигателя, а сетевого инвертора – с питающей сетью (непосредственно или через согласующий трансформатор). Такая структура обеспечивает:

- выбор зазоров в механических передачах и плавное натяжение канатов в паузах между пусками ШПМ;

- формирование с высокой точностью требуемой многопериодной диаграммы скорости подъемной машины независимо от изменения нагрузки;

- плавный разгон сосудов ШПМ за заданное время без потерь мощности в цепи ротора электродвигателя;

- стабилизацию скорости сосудов ШПМ в периоды равномерного движения с точностью не хуже 1% независимо от степени уравновешенности и характера изменения концевых усилий;

- выравнивание нагрузки электродвигателей на всех интервалах движения сосудов ШПМ;

- рекуперативное торможение с возвратом энергии движущихся масс в питающую сеть;

- замедление сосудов ШПМ за заданное время с формированием требуемого усилия любого знака;

- рекуперативное торможение электродвигателей с возвратом энергии движущихся масс в питающую сеть в периоды замедления сосудов ШПМ при формировании отрицательных тормозных усилий;

- малое время замедления и высокую точность остановки ШПМ без применения механического тормоза, который включается только после полной остановки ШПМ;

- работу ШПМ на пониженных скоростях в режимах маневрирования, дотягивания, постановки на кулаки, движения в разгрузочных кривых, осмотра ствола шахты без непроизводительных потерь электроэнергии в роторной управляющей станции;

- компенсацию реактивной мощности, потребляемой асинхронными электродвигателями ШПМ, без применения дополнительных компенсаторов реактивной мощности.

За счет перечисленных выше достоинств ЧРЭП обеспечивает снижение потребления электроэнергии ШПМ более чем на 30% по сравнению с традиционным электроприводом на базе пусковой резисторно-контакторной станции и позволяет повысить производительность ШПМ за счет сокращения интервалов движения сосудов ШПМ с малой скоростью и формирования требуемой диаграммы скорости с высокой точностью. За счет обеспечения высокой точности управления с плавным замедлением и точной остановкой сосудов ШПМ частотно-регулируемый электропривод исключает проскакивания и удары скипа по разгрузочным кривым, что продлевает срок службы механизмов и снижает эксплуатационные затраты.

Список литературы:

1. Бондарев В.А., Семёнов А.С. // Международный студенческий научный вестник. 2016. № 3-2. С. 302-303.

2. Бондарев В.А., Семёнов А.С. // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-1. С. 228-229.

3. Карташев И.И., Тульский В.Н., Кузнецов Н.М., Семёнов А.С. Мониторинг показателей качества электрической энергии в системах электроснабжения горных предприятий // Монография / Москва, 2013.

4. Кацман М.М. Электрический привод : учебник для спуд, образовал учреждений сред. проф. образования / М.М. Кацман. - 6-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2013. - 384 с.

5. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб, для вузов.- 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 704 с.: ил.

6. Кузнецов Н.М., Семёнов А.С. // Фундаментальные исследования. 2013. № 4-2. С. 295-299.

7. Кузнецов Н.М., Семенов А.С., Бебихов Ю.В., Рыбников А.В. // Горный журнал. 2014. № 1. С. 23-26.

8. Москаленко В.В. Электрический привод : учебник для студ. сред. проф. образования / В.В. Москаленко. - 5-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 368 с.

9. Рушкин Е.И., Бондарев В.А., Семёнов А.С. // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-1. С. 229-231.

10. Рушкин Е.И., Семёнов А.С., Саввинов П.В. // Фундаментальные исследования. 2014. № 11-12. С. 2615-2619.

11. Саввинов П.В., Семёнов А.С. // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-2. С. 342-344.

12. Семёнов А.С. // Мир современной науки. 2013. № 1 (16). С. 12-15.

13. Семёнов А.С. // Наука в центральной России. 2012. № 2S. С. 23-27.

14. Семёнов А.С. // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 9-3. С. 445-451.

15. Семенов А.С. // Технические науки - от теории к практике. 2012. № 11. С. 68-73.

16. Семёнов А.С., Бондарев В.А. // Международный студенческий научный вестник. 2015. № 3-4. С. 414-416.

17. Семёнов А.С., Бондарев В.А. // Фундаментальные исследования. 2016. № 4-1. С. 112-117.

18. Семенов А.С., Кузнецов Н.М. // Измерительная техника. 2014. № 4. С. 31-34.

19. Семёнов А.С., Матул Г.А., Хазиев Р.Р., Шевчук В.А., Черенков Н.С. // Фундаментальные исследования. 2014. № 9-6. С. 1210-1215.

20. Семёнов А.С., Пак А.Л., Шипулин В.С. // Приволжский научный вестник. 2012. № 11 (15). С. 17-23.

21. Семёнов А.С., Самсонов А.В., Бебихов Ю.В., Матул Г.А. // Естественные и технические науки. 2015. № 6 (84). С. 446-450.

22. Семёнов А.С., Шипулин В.С. // Фундаментальные исследования. 2014. № 6-3. С. 480-484.

23. Шипулин В.С., Семёнов А.С. // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-2. С. 344-347.

24. http://www.erasib.ru/statv/hoist-eratonfr-reversor/.

25. http://www.teh-lib.ru/tep/systema-preobrazovatel-chastoty-asinhronniy-dvigatel.html

26. Semenov A.S. // Международный журнал экспериментального образования. 2013. № 12. С. 57-59.

27. Semenov A.S. // Наука и технологии. 2014. № 3. С. 22-28.

28. Semenov A.S., Kuznetsov N.M. An analysis of the results of monitoring the quality of electric power in an underground mine // Measurement Techniques. 2014.

29. Semenov A.S., Shipulin V.S. // Europaische Fachhochschule. 2013. № 1. С. 228-230.

Код для цитирования: Скопировать