XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Подземный рудник «Интернациональный» был открыт 19 июля 2002 года, что стало большим достижением АК «АЛРОСА» (ПАО) ввиду уникальности строительства подземной шахты в данных климатических условиях. Запасов рудника достаточно для стабильной добычи до 2022 года на проектной мощности 500 тыс. тонн руды в год. С 2020 года планируется перейти к разработке подкарьерных запасов рудника. Одним из важных этапов транспортирования руды с горизонта на поверхность является последовательное исполнение следующих операций. Автосамосвалы с горизонтов по квершлагам доставляют руду в разгрузочную камеру

Разгрузочная камера расположена на разгрузочной ветви гор.+70м. Руда из камеры разгрузки поступает в бункер, а из него через питатель – на ленточный конвейер и далее в дозаторную камеру ствола ВВС, откуда скиповой подъемной установкой поднимается на поверхность.

Рис. 1. Схема расположения конвейерного штрека

Рассмотрим подробнее конвейер, а именно систему его электропривода.

К электроприводу конвейеров предъявляется ряд требований необходимых для получения его 3-х основных режимов работы (пуск, установившееся движение, торможение) а также множества вспомогательных и наладочных режимов.

Требования, предъявляемые к электроприводу ленточного конвейера следующие: Плавный пуска двигателя с ограниченным значением момента и ускорения; Обеспечение больших моментов при движении конвейера в начале его пуска; Обеспечение установившегося режима с необходимой скоростью движения конвейерной ленты. Системы электроприводов, применяемых для конвейеров, указаны на рис. 2.

Рис. 2. Системы электроприводов конвейеров

Широкое распространение имеют системы эл. приводов с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Достоинством этих эл. приводов считается: простота и относительно невысокая цена, при этом недостатки следующие: повышенный пусковой момент и, как следствие, вероятность возникновения больших натяжений и пробуксовки ленты, а также невозможность регулирования скорости двигателя.

Асинхронные эл. приводы с муфтами скольжения дают возможность плавного пуска конвейера и регулирование скорости в необходимых пределах. Существенными недостатками такой системы являются низкий КПД системы, увеличенная примерно в два раза установленная мощность электропривода, большие габариты.

Система управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока, дает непосредственную возможность регулирования скорости в широком диапазоне, обеспечивает плавный пуск конвейера, высокие динамические показатели а также удобство управления. Недостатки следующие: высокая стоимость двигателя, большие траты на обслуживание оборудования, так как в двигателе используется щеточный контакт, не лучшие массогабаритные показатели по сравнению с асинхронными двигателями.

Применение асинхронных двигателей с фазным ротором и реостатным управлением обеспечивает плавный пуск конвейерной установки и позволяет регулировать скорость. Недостатками же являются: невысокий КПД, дискретность регулирования скорости и мягкие механические характеристики.

Система преобразователь частоты – асинхронные двигатель позволяет плавно регулировать скорость в большом диапазоне, обеспечивает плавный пуск конвейерной ленты, высокие динамические показатели, высокий КПД, удобство управления, высокую надежность. Достоинством данной системы является относительно низкая стоимость преобразователя частоты с двигателем по сравнению с системой управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока.

В пользу применения системы преобразователь частоты – асинхронные двигатель говорит также и то, что в базовой установке в приводе конвейеров применяются асинхронные двигатели ротором замкнутым на коротко. Вследствие этого для получения возможности регулирования скорости двигателей достаточно установить преобразователи частоты требуемой мощности.

Классификация преобразователей частоты.

Устройство, преобразующее переменное напряжения одной частоты на входе, в изменяющееся по определенному закону переменное напряжение, но уже другой частотой на выходе называется преобразователем частоты (ПЧ). Бывают 2-ух типов:

- Непосредственные;

- Двухзвенные;

Непосредственные преобразователи частоты - представляет собой реверсивный тиристорный преобразователь. Главное его достоинство в том, что он подключается в сеть без дополнительных приборов.

Двухзвенные преобразователи частоты - представляют собой транзисторный или же тиристорный преобразователь. Главное отличие от непосредственных преобразователей в том, что для корректной и безопасной работы инвертора необходимо звено постоянного напряжения. Следовательно, необходим выпрямитель для включения двухзвенных преобразователей в общепромышленные сети.

Двухзвенные преобразователи частоты.

Двухзвенный преобразователь частоты, исполненный на базе автономного инвертора напряжения, имеет в комплекте выпрямитель и фильтр.

Рис. 3. Двухзвенные преобразователи частоты

ЭМ – электрическая машина, АИН – автономный инвертор напряжения, Lф, Сф – индуктивности и емкости фильтра, fнз – задание частоты выхода инвертора, udз – задание выходного напряжения для выпрямителя, в случае если применяются управляемые выпрямители, СУВ, СУИ – системы управления выпрямителем и инвертором соответственно с этим, uнз – задание выходного напряжения инвертора, В – выпрямитель. Пунктирной линией со стрелкой показаны связи, которые включаются в систему в зависимости от типа прибора.

Выпрямитель может быть, как управляем, так и не управляем. Если он управляем, то функция регулирования напряжения ложится непосредственно на него, в противном же случае на АИН. Для рекуперации энергии в сеть выпрямитель должен быть управляем и реверсивен то есть должен быть двухкомплектным. Управление частотным преобразователем производится импульсным методом. Наиболее распространенные методы - широтно-импульсное регулирование(ШИР) и широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Еще более широкое применение получили автономные инверторы тока (АИТ):

Рис. 4. Автономный инвертор тока

АИТ – автономный инвертор тока, СУИ, СУВ – системы управления преобразователями, УВ – управляемый выпрямитель, Lф – индуктивность фильтра, fнз – задание частоты выходного тока, іdз – задание выходного тока в звене постоянного тока.

В отличии от автономного инвертора напряжения (АИН), где регулируемой выходной величиной является напряжение, в автономном инверторе тока (АИТ) регулируемой величиной является ток. Существенную роль в формировании выходного сигнала заданной частоты играет частота коммутации транзисторов или тиристоров. Чем выше частота коммутации, тем, соответственно лучше качество синусоиды на выходе частотного преобразователя, но возрастают потери.

Ниже приведен результат моделирования работы АИТ (на IGBT транзисторах) на активно-индуктивную нагрузку при различных частотах коммутации:

Частота коммутации 800 Гц

Частота коммутации 2000 Гц

Частота коммутации 8000 Гц

Рис. 5. Результат моделирования работы АИТ

Как видно из графиков - уменьшение частоты коммутации очень плохо влияет на выходное качество тока. Поэтому для каждого устройства необходимо подбирать частоту коммутации частотного преобразователя соответственно качеству выходного напряжения или тока. Для оптимизации данных процессов на выходе преобразователя частоты иногда ставят L-C фильтр, для сглаживания пульсаций токов и напряжений: последовательно подключают индуктивность, для сглаживания пульсаций тока, и параллельно емкость, для сглаживания пульсаций напряжения.

Также работа частотного преобразователя генерирует высшие гармоники в питающей сети:

Рис. 6. Ток двух фаз питающего напряжения

Для уменьшения влияния высших гармоник на сеть используют фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ).

Принципиальные схемы преобразователей частоты.

Рис. 7. Автономный инвертор напряжения с управляемым выпрямителем

Данный преобразователь частоты не может рекуперировать энергию в сеть, а также насыщает выходное напряжение высшими гармониками и усложняет систему управления из-за необходимости управления УВ. При исполнении УВ двухкомплектным, рекуперирует энергию в сеть, но усложняет систему и делает ее более дорогой. Сейчас является устаревшим.

Рис. 8. Автономный инвертор напряжения с неуправляемым выпрямителем

Диоды VD7-VD12 выполняют роль выпрямителя. Транзисторы VT1-VT6 преобразуют постоянное напряжение в переменное заданной частоты. Диоды VD1-VD6 защищают транзисторы от перенапряжений, а также играет роль обратного выпрямителя при торможении машины. Транзистор VT7 выполняет роль ключа для резистора торможения Rб. За счет использования ШИМ происходит регулирование амплитуды выходного напряжения и его частоты.

При использовании неуправляемого выпрямителя для торможения двигателя АИН переводится в режим управляемого выпрямителя, работающего так, что напряжение на емкости Сф выше заданного, несмотря на уменьшение скорости вращения двигателя. При увеличении напряжения на емкости Сф открывается транзистор VT7 и энергия выделяемая электродвигателем гасится на тормозном резисторе.

Настоящий способ торможения получил название: инверторное торможение. Главным недостатком подобной системы считается отсутствие возможности рекуперировать энергию в сеть, но она возможна для использования в системах, где не требуется частое торможение.

Исходя из вышесказанного, одним из самых действенных и экономичных способов регулирования скорости электропривода, в настоящее время является частотное преобразование питающего напряжения.

Конвейеры являются составной частью технологического процесса предприятия и основными средствами комплексной механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных и складских операций. Высокая производительность машин непрерывного транспорта обеспечивается: непрерывностью процесса перемещения; отсутствием остановок для загрузки или разгрузки; совмещением рабочего и обратного движений ленты конвейерной установки.

В ленточных конвейерах нередко используют общепромышленные асинхронные двигатели. Запуск данных двигателей производиться с использованием прямого пуска, но при этом регулирование угловой скорости электропривода невозможна, что, в свою очередь, приводит к более сложной системе. Становится необходимым регулировать подачу материала или же использовать отдельных устройства. Для пуска двигателя при номинальном напряжении сети потребуется только один пускатель, то есть количество пусковой аппаратуры минимальна, что несомненно является одним из плюсов данной системы. Но это не всегда может быть применено к некоторым установкам, так как пусковой ток будет слишком велик. Также нашло применение использование специальной аппаратуры для регулирования угловой скорости. В соответствии с формулами синхронной угловой скорости:

Из которых видно, что все методы регулирования угловой скорости асинхронных электроприводов можно поделить на 2 группы. К первой группе относятся способы регулирования скорости, при которых изменяется угловая скорость вращающегося поля статора двигателя. Это получают изменением числа пар полюсов двигателя. Ко второй группе относят способы, при которых изменяется величина скольжения двигателя. Это получают введением в цепь ротора или же статора внешней противо-ЭДС, или с помощью изменения напряжения, подводимого к статору двигателя.

Исходя из индивидуальных конструктивных особенностей асинхронных двигателей, способ регулирования путем изменения пар полюсов применяется только для короткозамкнутых двигателей, а способы которые вводят в цепь ротора реостат, катушки индуктивности и противо-ЭДС применяют для двигателей с фазным ротором. При частотном регулировании более целесообразным является использование короткозамкнутых двигателей, которые по сравнению с двигателями с фазным ротором проще, надежнее и не имеют токосъемных колец и щеток.

Список литературы:

1. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд., доп. – М.: Высш. шк., 2000.

2. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. 5-е изд.- М.: Энергоатомиздат, 2004.

3. Кузнецов Н.М., Егоров А.Н., Федоров О.В. Система преобразователь – электродвигатель и качество электрической энергии – Н. Новгород: Изд-во НВВИКУ, 2010.

4. Плащанский Л.А., Зарипов Ш.У. Влияние высших гармоник на состояние электрических сетей // Изв. вузов. Горный журнал. 2010.

5. Семёнов А.С., Шипулин В.С. Электропривод – многофункциональное, высокопроизводительное, энергоэффективное устройство / Наука XXI века: новый подход // Материалы II международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 28 сентября 2012 года, г. Санкт-Петербург. – Петрозаводск: ПетроПресс, 2012. – 144 с.

6. Плащанский Л.А., Зарипов Ш.У. Влияние высших гармоник на состояние электрических сетей // Изв. вузов. Горный журнал. 2010.

7. Черенков Н.С., Семёнов А.С. Модернизация и оптимизация автоматизированных конвейеров в горной промышленности // В сборнике: Студенческий научный форум - 2015 VII Международная студенческая электронная научная конференция, электронное издание. 2015.

Код для цитирования: Скопировать