XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Рудничные вентиляторные установки относятся к горному оборудованию первой степени ответственности, так как они обеспечивают безопасные условия производства горных работ. Вентиляторная установка главного проветривания в общем случае включает в себя: два вентиляторных агрегата с электроприводом и аппаратурой автоматического управления, систему вентиляционных каналов, соединяющих вентиляторы с атмосферой и шахтным стволом, вспомогательное оборудование для переключения и реверсирования воздушного потока, которое должно обеспечивать прямую и реверсивную работу каждого из двух вентиляторов.

Вентиляторы должны быть регулируемыми, чтобы обеспечивать необходимый расход воздуха при изменяющемся сопротивлении вентиляционной сети.

Составляем функциональную схему модели вентиляторного агрегата с использованием программного продукта MatLab в среде Simulink.

Вычисление подачи, статического давления, КПД, мощности, статического момента сопротивления вентилятора производится с помощью зависимостей, полученных для расчета рабочих параметров вентилятора при переменной угловой скорости рабочего колеса. Модель строится таким образом, чтобы обеспечить задание различных исходных данных для возможности моделирования различных вентиляторов. Для визуального восприятия модели удобно вычислять каждый из параметров с помощью подсистем (блоки Subsystem).

Функциональная схема модели вентиляторного агрегата с численными значениями для вентилятора ВЦД-31,5 и двигателем АН-4-17-50-10У3 приведена на рис. 1. Все параметры для данной модели рассчитаны.

Модель вентиляторного агрегата состоит из модели частотно-регулируемого электропривода и модели вентилятора. Модель электропривода содержит: входное устройство задания скорости (Constant2); модель преобразователя частоты, реализованный на апериодическом звене первого порядка (Transfer Fcn1); сумматор ЭДС преобразователя частоты и внутренней обратной связи по ЭДС двигателя; передаточная функция звена момента, реализованная на апериодическом звене первого порядка (Transfer Fcn); сумматор электромагнитного момента двигателя и отрицательного момента статического сопротивления, создаваемого вентилятором; звено скорости двигателя, реализованное с помощью интегратора (Integrator) и усилителя (Gain); внутренняя обратная связь по ЭДС двигателя реализована с использованием усилителя (Gain1).

Выходная координата модели частотно-регулируемого электропривода – угловая скорость, которая регистрируется с помощью дисплея (Display) и осциллографа (Scope).

Модель вентилятора представлена двумя подсистемами (Subsystem и Subsystem1). Входные (исходные) параметры вентилятора реализованы на пяти источниках постоянного воздействия (Constant). Отображение численных значений величин, вычисленных в модели, осуществляется с помощью блоков Display, а динамику изменения координат с помощью осциллографов Scope:

- подача вентилятора, м3/с – Display1 и Scope1;

- полное давление вентилятора, Па – Display2 и Scope2;

- потребляемая мощность вентилятора, кВт – Display3 и Scope3;

- момент статического сопротивления вентилятора, Нм – Display4 и Scope4.

Рис. 1.Функциональная схема модели вентиляторного агрегата с частотно-регулируемым электроприводом

Подсистема представлена на рис. 2. На схеме набора блоков подсистемы Subsystem:

- вход ln1 – подается угловая скорость ω с выхода модели электропривода;

- вход ln2 – задается номинальная угловая скорость ω_ном электродвигателя;

- вход ln3 – задается номинальная подача вентилятора Q_ном;

- вход ln4 – задается номинальное полное давление вентилятора p_ном;

- выход Out1 – вычисленное относительное значение угловой скорости двигателя ω/ω_ном, используется в дальнейших расчетах модели;

- выход Out2 – вычисленная величина подачи вентилятора Q;

- выход Out3 – вычисленная величина полного давления вентилятора p.

С помощью подсистемы Subsystem 1 реализованы зависимости КПД, активной мощности вентилятора, потребляемой мощности вентиляторным агрегатом и статического момента сопротивления вентилятора от угловой скорости:

- выход Out1 – вычисленная величина потребляемой активной мощности P;

- выход Out2 – вычисленная величина момента статического сопротивления вентилятора M_с.

Рис. 2. Функциональная схема модели (Subsystem)

Рис. 3.Функциональная схема модели (Subsystem1)

Для настройки ряда параметров в подсистеме Subsystem 1 необходимо руководствоваться следующими соображениями: коэффициент передачи усилителя Gain выбирается из условия перевода единицы измерения мощности из Ватт в килоВатты, т.е. K_Gain=0.001;

Рис. 4. График значений угловой скорости вентилятора

Рис. 5. График значений подачи вентилятора

Рис. 6. График значений потребляемой мощности вентилятора

Представленные на рис. 4-6 зависимости угловой скорости, подачи и потребляемой мощности от времени моделирования удовлетворяют требованиям и соответствуют расчетным параметрам вентилятора. Моделирование можно считать успешным, а полученные результаты послужат для выбора элементов системы электропривода: электродвигателя и преобразователя частоты.

Список литературы:

1. Гришко А.П. Стационарные машины. Т. 2. Рудничные водоотливные, вентиляторные и пневматические установки : учебник для вузов. – М.: Издательство «Горная книга», 2007.

2. Каледина Н.О. Вентиляция производственных объектов : учебное пособие. – 4-е изд., стер. – М.: Издательство МГГУ, 2008.

3. Фащиленко В.Н. Регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок горных предприятий : учебное пособие. – М.: Издательство «Горная книга», 2011.

4. Рушкин Е.И., Семёнов А.С. Исследование системы частотно-регулируемого электропривода вентилятора главного проветривания при помощи моделирования // Технические науки – от теории к практике. – Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. – № 20 – С. 34-42.

5. Семёнов А.С., Кугушева Н.Н., Хубиева В.М. Моделирование режимов работы частотно-регулируемого электропривода вентиляторной установки главного проветривания применительно к подземному руднику по добыче алмазосодержащих пород // Фундаментальные исследования. 2013. № 8 (часть 5). С. 1066-1070.

6. Черенков Н.С., Семёнов А.С. Использование синхронного двигателя вентиляторной установки как компенсатора реактивной мощности // Материалы IX Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум-2017». URL: http://www.scienceforum.ru/2017/2280/29329 (дата обращения: 06.03.2017).

7. Егоров А.Н., Семёнов А.С., Федоров О.В., Харитонов Я.С. Анализ энергоэффективности главной вентиляторной установки рудника по добыче алмазосодержащих пород // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2018. Т. 10. № 2 (38). С. 60-72.

8. Егоров А.Н., Семёнов А.С., Харитонов Я.С., Федоров О.В. Анализ эффективности применения частотно-регулируемого электропривода в условиях алмазодобывающих предприятий // Горный журнал. 2019. № 2. С. 77-82. https://doi.org/10.17580/gzh.2019.02.16

9. Semenov A.S., Egorov A.N., Khubieva V.M. Assessment of Energy Efficiency of Electric Drives of Technological Units at Mining Enterprises by Mathematical Modeling Method // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). 2019. № 8743025. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2019.8743025

10. Egorov A.N., Semenov A.S., Bebikhov Yu.V., Sigaenko A.A. Assessment of energy efficiency of the modernized main fan unit for an underground mine // International Journal of Energy for a Clean Environment. 2019. V. 20. Is. 2. P. 153-165. https://doi.org/10.1615/InterJEnerCleanEnv.2019026505

11. Semenov A.S., Egorov A.N., Fedorov O.V. Electromagnetic Compatibility of ACS5000 & PF7000 High-Voltage Frequency Converters Used within Processing Unit // International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). 2019. № 8877664. https://doi.org/10.1109/URALCON.2019.8877664

12. Семёнов А.С., Егоров А.Н., Харитонов Я.С., Федоров О.В. Оценка электромагнитной совместимости высоковольтных преобразователей частоты в электротехнических комплексах // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2019. Т. 11. № 3 (43). (в печати).