Автоматизированный электропривод ленточных конвейеров

Автоматизированный электропривод ленточных конвейеров.

1. Общие сведения о электроприводах конвейерных установок.

1.1 Условия работы, режимы и нагрузки конвейерных установок.

На открытых горных работах конвейерные установки находят широкое применение на комплексах непрерывного действия, при конвейерном транспорте на обогатительных фабриках. В угольных шахтах и рудниках конвейерные установки используются для доставки полезных ископаемых из забоя и транспортирования его по сборным штрекам, квершлагам, участковым и капитальным уклонам и бремсбергам, наклонным стволам и штольням. На предприятиях минерально-сырьевого комплекса в основном используются ленточные и скребковые конвейеры. Производительность и условия работы таких установок могут быть различными, что влияет на выбор их систем электропривода.

Режимы работы конвейерных установок обусловлены продолжительной работой в течение большого промежутка времени вследствие загрузки, транспортировании и разгрузки в непрерывном режиме. Это обстоятельство влияет на выбор приводного электродвигателя и его элементов. Из-за продолжительной работы процессы пуска и останова являются редкими, поэтому они не влияют на производительность конвейерной установки. Таким образом, увеличив время пуска, можно значительно снизить динамические нагрузки в кинематических цепях конвейера без ущерба для производительности. Вследствие неизменности направления движения электропривод конвейерной установки выполняют по нереверсивной схеме управления, что упрощает схемные решения.

Для электроприводов конвейерных установок большое значение имеет сравнительно тяжелый процесс пуска. Это обусловлено пуском конвейера под нагрузкой вследствие наличия груза на тяговом органе после аварийной остановки. Значительные пусковые токи в течение продолжительного времени вызывают необходимость использования для конвейерных установок специальных приводных электродвигателей с большой перегрузочной способностью.

Неравномерность загрузки грузонесущей ветви конвейера влияет на статическую нагрузку электропривода. Загрузка магистральных ленточных конвейеров, установленных в капитальных выработках, зависит от неравномерности грузопотоков из добычных забоев и от места поступления грузопотоков на него. Вследствие этого конвейер, выбранный по максимальной приемной способности, оказывается в процессе эксплуатации значительно недогруженным. Снижение статической нагрузки негативно сказывается на энергетических характеристиках электропривода. Происходит перераспределение долевого участия энергии между затратами на перемещение тягового органа и полезного груза. Большая часть энергии тратится на перемещение тягового органа при увеличении удельного потребления энергии на перемещение полезного груза. Улучшение энергетических свойств электропривода конвейерной установки возможно посредством регулирования скорости тягового органа в функции грузопотока таким образом, чтобы обеспечить полную загрузку конвейерного става. Обеспечение такого режима работы конвейерной установки возможно только за счёт регулируемого электропривода.

При движении горизонтального конвейера его привод должен преодолевать статическую нагрузку, обусловленную силами трения в подшипниках вращающихся элементов, в местах контакта роликов и тягового органа и в самом тяговом органе при его изгибании. Эти нагрузки определяют необходимую мощность двигателя конвейерных установок, работающих с малым количеством пусков и остановок:

(1.1).

где — коэффициент запаса, учитывающий погрешности расчёта сил сопротивления; - рабочая скорость тягового органа; - КПД редуктора привода конвейерной установки.

У наклонных конвейерных установок к силам трения добавляются составляющие усилия тяжести транспортируемого груза и тягового органа, которые увеличивают сопротивление движению при работе на подъем и уменьшают его при работе на спуск. Когда конвейер работает на спуск, при определенных углах наклона движение может создаваться усилиями тяжести. В этом случае электропривод должен работать в тормозном режиме для поддержания постоянной скорости тягового органа.

При пуске и торможении возникает дополнительная динамическая составляющая тягового усилия, зависящая от массы движущихся частей и ускорения конвейера:

(1.2).

где; - поступательно движущиеся массы элементов конвейерной установки; - момент инерции ротора двигателя; - передаточное отношение редуктора привода конвейерной установки; - момент инерции приводного барабана; - радиус приводного барабана.

Полное тяговое усилие определяет необходимую перегрузочную способность привода конвейерной установки. Максимальная перегрузочная способность привода:

. (1.3).

Для конвейеров большой длины величина динамической составляющей тягового усилия при пуске загруженного конвейера после аварийной остановки может оказаться значительно больше статической составляющей. В этом случае результирующее тяговое усилие возрастает, что приводит к увеличению максимального натяжения в тяговом органе за счёт дополнительного приращения натяжений на каждом участке конвейерного става, обусловленного инерционностью поступательно движущихся масс, создающих основную величину динамической составляющей.

У ленточных конвейеров движущее тяговое усилие, создаваемое двигателем, передаётся тяговому органу в результате трения между лентой и приводным барабаном. При этом величина передаваемого усилия зависит от угла охвата барабана тяговым органом, коэффициента трения между ними и величин натяжений набегающей и сбегающей ветвей. Условие отсутствия проскальзывания тягового органа определяется формулой Л. Эйлера.

. (1.4).

Тогда максимальное тяговое усилие, которое может быть передано без проскальзывания.

. (1.5).

Поэтому возрастание тягового усилия при пуске снижает надежность сцепления и при недостаточном натяжении сбегающей ветви может вызвать проскальзывание. Этому способствует и уменьшение коэффициента трения из-за увлажнения поверхности приводного барабана или налипания на нем транспортируемой породы.

При анализе условий работы конвейера необходимо учитывать, что он представляет собой электромеханическую систему с упругим тяговым органом и распределёнными по его длине параметрами: массами перемещаемого груза и тягового органа, усилиями сопротивления движению. Это приводит к возникновению колебательных процессов в ветвях тягового органа и изменению их натяжений, что может также явиться причиной нарушения условия (1.4) отсутствия проскальзывания. При этом в результате скольжения ленты по приводному барабану происходит усиленный износ тягового органа, который у ленточных конвейеров большой мощности является дорогостоящим элементом.

При пуске ленточных магистральных конвейеров большой длины необходимо учитывать распространение упругих колебаний вдоль тягового органа. Если продолжительность пуска меньше времени распространения упругих колебаний от приводного до натяжного элемента, то двигатель успевает разогнаться до номинальной скорости, а хвостовой конец тягового органа остается еще неподвижным. При этом в момент прихода упругой волны к концу конвейера к хвостовым массам прикладывается импульс полной скорости, вызывающий упругий удар, который создает значительные динамические нагрузки в тяговом органе. Для устранения этого явления пуск длинный конвейерных линий осуществляется предварительно на пониженной скорости с последующим плавным разгоном до полной рабочей скорости.

Для мощных конвейеров с целью обеспечения необходимого тягового усилия, которое не может быть передано с помощью одного приводного органа, применяют двухбарабанные многодвигательные приводы. В этом случае возникает проблема обеспечения равномерного распределения нагрузок между двигателями этих барабанов и устранения проскальзывания ленты. В общем случае выравнивание нагрузки в многодвигательном электроприводе осуществляется посредством выравнивания жёсткостей механических характеристик двигателей, работающих на общую механическую систему. Особенностью двухбарабанных конвейерных установок является наличие упругого элемента между приводными барабанами, что обуславливает особенности при выравнивании нагрузок на приводных двигателях. Установлено [7], что в этом случае условием выравнивания нагрузок является поддержание определенных соотношений между модулями жёсткости механических характеристик приводных электродвигателей. Поддержание равномерности распределения нагрузок двигателей должно осуществляться непрерывным регулированием, обеспечивающим необходимое соотношение модулей жёсткости, что возможно только в случае применения систем регулируемого электропривода.

1.2 Требования к электроприводам и системам управления конвейерных установок.

Рассмотрение условий работы конвейерных установок позволяет определить основные требования к электроприводам и системам управления с учётом особенностей их статических и динамических свойств.

Электроприводы конвейерных установок должны обеспечивать работу в длительном режиме при переменной нагрузке без реверсирования направления движения. В некоторых случаях, например, при работе конвейерной установки на уклон, электропривод должен работать как в двигательном, так и в тормозном режимах. В случае последовательной установки нескольких конвейеров, работающих с перевалкой транспортируемого материала с одного конвейера на другой в общей технологической цепочке, должна быть обеспечена очерёдность их включения и отключения. Включение конвейеров должно происходить в направлении встречном грузопотоку, а отключение — в направлении грузопотока для устранения завалов в точках перегрузки.

Для магистральных конвейеров, работающих с переменной нагрузкой в течение длительных промежутков времени, считается целесообразным регулирование скорости тягового органа для обеспечения постоянной нагрузки грузонесущей ветви конвейера. Это позволяет повысить энергоэффективность использования конвейерных установок, сократить пробег тягового органа, следовательно, увеличить ресурс дорогостоящей конвейерной ленты.

Для многоприводных конвейеров электропривод должен обеспечить выравнивание нагрузок между двигателями и устранять проскальзывание ленты относительно барабанов.

С целью ограничения динамических нагрузок, обеспечения надёжного сцепления ленты с барабаном и транспортируемого груза с лентой электропривод конвейерных установок, особенно при их большой длине, должен ограничивать ускорение при пуске допустимой величиной и устранять колебательные динамические нагрузки.

В случае применения регулируемых электроприводов, обеспечивающих процессы плавного пуска, регулирования скорости лены конвейерной установки, ограничения динамических нагрузок и выравнивания нагрузок между приводными двигателями, минимальный диапазон регулирования скорости должен быть 10:1.

1.3 Кинематические схемы приводных блоков и основные типы конвейерных установок.

Выбор системы электропривода в значительной степени зависит от числа приводных барабанов и двигателей. На рис. 1.1 представлены кинематические схемы приводных блоков конвейерных установок. На рис. 1.1, а и б показаны однобарабанный привод Б с одним двигателем Д и редуктором Р. Разница между этими кинематическими схемами заключается в расположении двигателя относительно оси конвейера. Схема рис. 1.1, б с параллельным расположением двигателя является более предпочтительным по сравнению с перпендикулярным расположением двигателя (рис. 1.1, а), так как снижается ширина приводного блока. Это имеет большое значение в условиях тесных пространств подземных выработок. Для открытых горных работ и обогатительных фабрик это обстоятельство не играет существенной роли, но позволяет использовать более простую конструкцию редуктора, исключая коническую передачу. Для защиты кинематических цепей и обеспечения плавного пуска в ряде конструкций конвейерных установок устанавливается гидравлическая муфта между редуктором и асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. В случае применения регулируемого электропривода гидромуфта может отсутствовать.

Однобарабанный привод с двумя электродвигателями (рис. 1.1, в) применяется на конвейерной установке средней мощности и обеспечивают высокий коэффициент сцепления барабана с лентой. Жестко связанные кинематические цепи приводного блока требуют применения гидромуфт для обеспечения выравнивания нагрузки приводных двигателей, которые имеют, как правило, неидентичные механические характеристики.

Рис. 1.1. Кинематические схемы приводных блоков конвейерных установок: а — однобарабанный привод с перпендикулярным расположением двигателя; б — однобарабанный привод с параллельным расположением двигателя; в-двухдвигательный привод с одним барабаном; г — двухбарабанный двухдвигательный привод.

Мощные конвейерные установки большой длины и высокой производительности имеют несколько приводных барабанов. На рис. 1.1, г показан двухбарабанный привод с двумя двигателями. Двухбарабанные привода могут быть оборудованы также тремя или четырьмя двигателями. При достоинствах двухбарабанных приводов ленточных конвейеров, связанных с большим углом обхвата лентой обоих барабанов, следует учитывать, что эти установки имеют дорогую механическую часть и сложны в эксплуатации, усложняются вопросы выравнивания нагрузки приводных электродвигателей.

2. Системы электропривода конвейерных установок.

2.1 Нерегулируемый электропривод конвейерных установок.

При обосновании и выборе системы электропривода конвейерных установок следует принять во внимание, что наибольшее применение находит электропривод переменного тока на основе асинхронных двигателей. При коротких конвейерах небольшой производительности обычно используют асинхронные двигатели с глубокопазным короткозамкнутым ротором или ротором типа двойной беличьей клетки, имеющие повышенный пусковой момент. Предельная мощность этих электроприводов не превышает 100 — 200 кВт, так как вследствие падения напряжения в сети происходит значительное снижение пускового момента, что затрудняет запуск гружёного конвейера.

Для конвейеров большой длины и производительности, как правило, применяется электропривод с асинхронными двигателями с фазным ротором, обеспечивающими ограничение пусковых токов и ускорений. При этом, с целью снижения динамических нагрузок, применяют предварительные пусковые ступени для выбора зазоров в передачах и создания начального натяжения ленты и большое количество пусковых ступеней для снижения величин мгновенных приращений момента двигателя при переключении пусковых резисторов, способствующих возникновению упругих колебаний в тяговом органе и проскальзывания его по барабану. На конвейерных установках применяют контакторные схемы с числом пусковых ступеней 10 — 12 и переключением их в функции времени или в функции времени и тока.

Релейно-контакторные устройства плавного пуска обладают существенным недостатком — большими потерями электрической энергии в процессе пуска, которая рассеивается в виде тепловой энергии на пусковых резисторах. В настоящее время всё большее распространение получают устройства плавного пуска (УПП), в ряде модификаций которых заложены также функции торможения. Применение УПП обеспечивает: плавный пуск асинхронного двигателя с ограничением пускового тока и углового ускорения, защиту от механических ударов исполнительного механизма, позволяет регулировать время разгона и торможения. Устройства плавного пуска (софтстартер) имеют множество применений: насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, тяжело нагруженные и инерционные механизмы.

Устройство плавного пуска представляет полупроводниковый регулятор напряжения на зажимах статора двигателя. Изменение напряжения осуществляется путём регулирования угла отпирания тиристоров, включённых по схеме встречно-параллельного соединения в каждой фазе обмотки статора двигателя. Функциональная схема УПП приведена на рис. 2.1, на котором приняты следующие обозначения:

ТК — тиристорный коммутатор; АД — асинхронный электродвигатель; СУ — система управления, включающая в себя формирователь управляющих импульсов; ФИ — драйверы, служащие для управления тиристорами, а также гальванического разделения силовых цепей и цепей управления; МК — микроконтроллер; УВВ — устройство ввода-вывода; ПУ — пульт управления; ИП — источник питания; ДТ1, ДТ2, ДТ3 — датчики тока, предназначенные для контроля, регулирования пускового тока и защиты от токов перегрузки и КЗ; ДН1, ДН2 — датчики напряжения, предназначенные для защиты от недопустимого превышения и снижения напряжения и регулирования напряжения на зажимах статора асинхронного двигателя.

Микроконтроллер является основным устройством УПП, управляет отпиранием тиристоров, работой встроенных в УПП реле, выполняет функции программной защиты и контроля как самого УПП, так и двигателя. Блок ФИ подаёт на тиристоры отпирающие импульсы, которые сдвинутые на изменяемый угол относительно момента естественной коммутации, благодаря чему напряжение на выходе УПП изменяется от при теоретически до нуля (). Запирание тиристоров происходит естественно — при изменении полярности синусоидального напряжения на его зажимах анод-катод.

Рис. 2.1. Функциональная схема устройства плавного пуска Устройство плавного пуска осуществляет пуск электродвигателя плавным нарастанием напряжения на статоре при одновременном регулировании тока или момента. Преимуществом УПП по сравнению с традиционными способами пуска является предоставление пользователю широких возможностей программными средствами осуществлять настройку устройства для конкретного применения. Эти возможности обеспечиваются широким диапазоном регулирования параметров диаграммы изменения напряжения на зажимах статора двигателя и выбором способа управления.

В УПП могут быть реализованы следующие способы управления: напряжением на зажимах статора, током двигателя, моментом двигателя.

Управление напряжением обеспечивает плавный пуск двигателя, однако ток и момент двигателя при пуске не контролируются. Поскольку отсутствует обратная связь по току и контроль момента двигателя, при пуске возможны броски тока (рис. 2.2, а). Данный способ управления не пригоден для электроприводов с тяжёлым пуском.

Управление током обеспечивает при пуске ограничение пускового тока. Изменение напряжения на зажимах статора происходит таким образом, что в течение большей части времени пуска ток двигателя поддерживается постоянным (рис. 2.2, б). Уровень ограничения пускового тока является основным параметром пуска и устанавливается пользователем в зависимости от конкретного применения.

Управление моментом является наиболее совершенным способом пуска. В этом случае УПП следит за требуемым значением момента, обеспечивая пуск с минимально возможным значением тока (рис. 2.2, в). Применение системы управления с контролем момента двигателя обеспечивает линейный график изменения скорости во времени, т. е. пуск при постоянном ускорении.

Рис. 2.2. Графики изменения во времени тока при пуске электродвигателя от УПП при способах управления: а — напряжением на зажимах статора; б — током; в-моментом двигателя Для конвейерных установок, работающих под уклон необходимо обеспечить тормозной режим. С помощью УПП могут быть реализованы следующие способы торможения двигателя:

скатом (плавным изменением напряжения на зажимах статора асинхронного двигателя);

свободным выбегом (отключением асинхронного двигателя от сети);

динамическим торможением (подачей в обмотку статора асинхронного двигателя постоянного тока).

Для конвейера, работающего на спуск груза, необходимо применение динамического торможения.

Выбор устройства плавного пуска. Устройство плавного пуска выбирается исходя из трёх главных критериев:

1. Напряжение питающей сети должно соответствовать номинальному напряжению УПП.

2. Номинальный ток УПП должен соответствовать току нагрузки двигателя.

3. Тип применения (категория эксплуатации).

Для полного описания эксплуатационных возможностей УПП недостаточно указывать только показатель по току. В документах МЭК 60 947−4-2 определены эксплуатационные категории АС53, используемые для определения показателей УПП. При выборе УПП необходимо учитывать следующие показатели:

1. Показатель по току (номинальный ток УПП) — ток полной нагрузки двигателя, подключаемого к УПП при условии, что рабочие параметры УПП определены остальными величинами, приведенными в обозначении УПП в соответствии с АС53.

2. Пусковой ток — максимальный пусковой ток, который реализуется во время пуска.

3. Продолжительность пуска — время, необходимое для разгона двигателя до установившейся скорости.

4. Цикл работы под нагрузкой — относительная доля времени работы УПП, выраженная в процентах от продолжительности цикла.

5. Число рабочих циклов (пусков) в 1 час.

Стандарт МЭК 60 947−4-2 определяет две категории эксплуатации УПП: АС53a и АС53b. Категория эксплуатации АС53а предназначена для электроприводов с продолжительным или циклическим характером работы, где нормой для выбора является УПП без шунтирования обходным (байпасным) контактором тиристорного коммутатора ТК (рис. 7.2). Категория эксплуатации АС53b предназначена для электроприводов с кратковременным режимом работы, поэтому выбирается УПП с шунтированием ТК обходным контактором после завершения пуска. Так как конвейерные установки относятся к механизмам с продолжительным характером работы, то для его электропривода необходим выбор УПП с категорией эксплуатации АС53а.

В каталогах фирм изготовителей УПП приводятся показатели двух уровней норм АС53а — для тяжёлого и нормального / легкого режимов работы. Для тяжёлого режима работы снижается мощность подключаемого к УПП двигателя по сравнению с нормальным режимом обычно на одну ступень.

Приведём примеры обозначений УПП с категорией эксплуатации АС53а:

тяжёлый режим работы: 370А: АС53а5,0−30:50−10, которое расшифровывается следующим образом: ток полной нагрузки 370 А, пусковой ток пятикратный (1850 А) в течение 30 с, относительная продолжительность включения в цикле 50%, число пусков (циклов) в 1 час — 10;

нормальный / лёгкий режим работы 450А: АС53а3,0−30:50−10. Обозначение указывает на более лёгкий, по сравнению с предыдущим, режим применения одного и того же УПП (пусковой ток трёхкратный), что позволило увеличить ток полной нагрузки до 450 А.

Отличие обозначений УПП с категорией эксплуатации АС53b от АС53а заключается в том, что вместо количества циклов указывается пауза между пусками. Приведём пример обозначений УПП с категорией эксплуатации АС53b — 210А: АС53b4,0−30:1440, которая обозначает: ток полной нагрузки 210 А, пусковой ток четырёхкратный (840 А) в течение 30 с, пауза между пусками 1440 с (24 мин).

Дополнительные рекомендации по применению УПП..

Параллельное подключение нескольких двигателей допускается в пределах мощности УПП (суммарный ток подключенных двигателей должен быть равен или меньше номинального тока УПП).

Двигатель с фазным ротором по сравнению с закороченным ротором развивает слабый пусковой момент. С целью увеличения пускового момента целесообразно в цепь ротора ввести небольшое сопротивление. Возможен пуск двигателя с фазным ротором при закороченной обмотке ротора. Однако пусковой ток в этом случае может достичь 7-кратного значения, что потребует применения УПП на одну ступень выше по мощности.

Двухскоростной двигатель. Во избежание больших бросков тока, обусловленных противофазным состоянием ЭДС двигателя и напряжения сети, переход от одной скорости на другую осуществляется с выдержкой времени. Устройство, переключающее число полюсов, должно быть подключено между выходом УПП и двигателем.

Подключение нескольких устройств плавного пуска к одному источнику питания. Для обеспечения требований электромагнитной совместимости между сетевым контактором и УПП устанавливается сетевой дроссель. Использование сетевых дросселей особенно рекомендуется в случае подключения нескольких УПП к одному источнику сетевого питания.

Запреты по использованию УПП. Нельзя от УПП питать никакие другие приёмники, кроме электродвигателей. Например, запрещено подключать тепловые электроприборы. Нельзя к клеммам двигателя подключать компенсаторы реактивной мощности. При использовании компенсаторов реактивной мощности они должны устанавливаться на входе УПП и подключаться к питанию только после завершения процесса пуска двигателя.

Для шахт, опасных по газу и пыли, необходимо применение взрывозащищённых УПП. Отечественная и зарубежная промышленность поставляет специальные взрывозащищенные УПП для шахтных конвейерных установок с выходным током УПП до 400 А на напряжения 660 и 1140 В.

2.2 Регулируемый электропривод конвейерных установок.

Применение релейно-контакторных схем и устройств плавного пуска решают вопросы обеспечения пусковых процессов конвейерных установок. Для реализации остальных требований к конвейерным установкам, таких как, регулирование скорости ленты в функции грузопотока или ограничения динамических нагрузок, требуется применение регулируемого электропривода. В современных условиях наибольшими перспективами обладают частотно-регулируемые электроприводы с асинхронными и синхронными двигателями. Синхронный частотно-регулируемый электропривод выполняется на базе высоковольтных преобразователей частоты с выходным напряжением 6 и 10 кВ. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод выполняется с преобразователями частоты отечественных и зарубежных производителей на напряжения 0,4; 0,69; 1,19; 3,0 (3,3); 6,0 (6,3; 6,6); 10,0 (10,5) кВ для двигателей соответствующего напряжения. Так как регулирование скорости ленты конвейерных установок и ограничение динамических нагрузок требует диапазон регулирования скорости как минимум 10:1, то двухтрансформаторные преобразователи частоты не могут быть использованы для привода конвейерных установок. Повышающий трансформатор уже при диапазоне регулирования 1,5:1 входит в режим насыщения из-за меньшей частоты тока относительно номинальной, что приводит к повышенным потерям мощности.

Низковольтные преобразователи частоты напряжением до 1,19 кВ и высоковольтные на напряжение до 10 кВ выпускаются с инверторами напряжения на базе IGBT транзисторов и, как правило, комплектуются ПИД-регулятором (PID Controller). Высоковольтные преобразователи частоты на напряжение от 3,0 (3,3) до 10 (10,5) кВ выпускаются с инверторами тока на базе запираемых тиристоров.

На рис. 2.3 представлена типовая схема низковольтного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с автономным инвертором напряжения на базе IGBT транзисторов. Преобразователи частоты построены на основе полупроводниковой силовой электроники: интеллектуальные силовые модули (IGBT-модуль), представляющие собой конструктивное единство силовых ключей и драйверов управления ими; встроенные элементы защиты и интерфейса с микроконтроллерной системой управления.

Рис. 2.3. Типовая схема низковольтного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с автономным инвертором напряжения Микроконтроллерная система осуществляет функции управления, защиты и контроля. Система управления реализует следующие основные функции:

· прямое цифровое управление всеми элементами преобразователя, включая управление силовыми ключами в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

· формирует модель двигателя;

· программное управление скоростью (частотой) или заданием технологической переменной в функции времени (часовые, суточные, недельные циклы);

· управление входным тиристорным преобразователем для плавного заряда конденсаторной батареей С0 в звене постоянного тока;

· управление цепью приёма энергии торможения для её рассеяния на балластном резисторе RB;

· косвенное определение ряда дополнительных параметров с помощью цифровых наблюдателей: потребляемой мощности, расхода электроэнергии, технологических процессов (расход воды, воздуха и др.);

· ввод любого числа дополнительных параметров технологического процесса с интеллектуальных датчиков, в том числе с удаленных датчиков давления и температуры.

Микропроцессорная система защиты и контроля реализует следующие основные функции:

· управляет встроенной защитой от коротких замыканий и пропадания напряжения питания драйверов;

· контролирует токи утечки и перенапряжения в звене постоянного тока;

· контролирует перегрев автономного инвертора и двигателя;

· управляет защитой от обрыва и перекоса фаз;

· управляет максимально-токовой и времятоковой защитой.

Высоковольтный преобразователь частоты с инвертором напряжения на базе IGBT транзисторов содержит многофазный входной трансформатор, силовые блоки и микроконтроллерную систему управления, защиты и контроля. Функциональная схема представлена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Функциональная схема высоковольтного частотно-регулируемого электропривода с инвертором напряжения В системе управления оптоволоконный концентратор работает с силовыми блоками одной фазы. Сигналы от концентратора посылаются по оптоволоконным линиям и передают информацию о ширине импульса или о режиме работы. Получив данные силовой блок подаёт команду о необходимом состоянии, либо, в случае ошибки, сигнал с кодом неисправности. Микроконтроллер собирает данные о напряжении и токе на входе и выходе, обрабатывает сигнал управления, фильтрует и рассылает рассчитанные параметры для работы преобразователя, защиты, а также предоставляет данные для системного компьютера.

Микроконтроллер формирует модель двигателя, осуществляет функции управления двигателем. Регулирование напряжения на трёх фазах осуществляется посредством векторного управления.

Блок PLC осуществляет связь микроконтроллера с внешней средой, имеет входные каналы для управления и выходные каналы для вывода информации. Данными по вводу служат задания при работе в режиме управления от внешнего задатчика. Параметрами по выходу могут являться частота выходного тока, величина тока, напряжения и мощности. Блок PLC имеет встроенный ПИД-регулятор для качественной обработки сигналов от датчиков технологических параметров.

Силовая схема преобразователя формируется посредством последовательного соединения отдельных силовых блоков по каждой фазе. Последовательное подключение силовых блоков при формировании выходного фазного напряжения даёт возможность использовать в высоковольтном преобразователе частоты IGBT-транзисторов, рассчитанных на меньшее напряжение, чем на выходе преобразователя. Таким образом, обеспечивается реализация многоуровневого ШИМ преобразования. Этот режим работы позволяет снизить амплитуду выходной пульсации пропорционально количеству использованных фазных силовых блоков. На рис. 2.5, а показана схема включения силовых блоков для 3 кВ. Каждый блок формирует переменное однофазное напряжение 580 В. Каждая фаза содержит три блока для того, чтобы получить 1740 В фазного напряжения.

Для получения 6 кВ необходимо последовательно соединить пять силовых блоков на каждую фазу. Каждый из блоков формирует переменное однофазное напряжение на 690 В. Для получения 10 кВ необходимо последовательно соединить девять силовых блоков на каждую фазу. Каждый из блоков формирует переменное однофазное напряжение на 640 В.

Принципиальная схема силового блока приведена на рис. 2.5, б. Входные цепи R, S, T подключаются к низкому трехфазному напряжению вторичной обмотки трансформатора. Напряжение с трансформатора через диодный трёхфазный выпрямитель заряжает конденсаторы. Накопленная электрическая энергия конденсаторов расходуется однофазным мостом, состоящим их IGBT транзисторов VT1 — VT4, для формирования напряжения ШИМ на выходах L1, L2.

Рис. 2.5. Принцип формирования высоковольтного преобразователя частоты на выходное напряжение 3000 В: а — схема соединения силовых блоков; б — схема силового блока Силовые блоки имеют функцию «байпаса». В случае возникновения в каком-либо силовом блоке неисправности, при котором не возможно дальнейшее продолжение работы, на данном силовом блоке и двух других блоках, работающих в одной группе (в двух других фазах) автоматически включается функция «байпас». При этом VT1 и VT2 блокируют выход, тиристор VS открывается и подаёт сигнал о включении «байпаса». При включении «байпаса» силового блока, снижается номинальное выходное напряжение преобразователя частоты, так как количество силовых блоков на фазу оказывается меньше положенного.

Существенным недостатком высоковольтных преобразователей частоты с автономным инвертором напряжения является использование в его составе сложного многообмоточного трансформатора. Из-за этого такие преобразователи имеют значительные массогабаритные и стоимостные показатели. Поэтому в современных условиях получают распространение бестрансформаторные преобразователи частоты. Функциональная схема такого преобразователя частоты приведена на рис. 2.6.

Бестрансформаторными такие системы преобразователей частоты можно считать условно. Это связано с тем, что для создания благоприятных условий электромагнитной совместимости, кроме шестипульсной схемы выпрямления применяются восемнадцатипульсные схемы выпрямления, которые требуют использования многообмоточных входных трансформаторов.

Рис. 2.6. Функциональная схема высоковольтного безтрансформаторного преобразователя частоты с инвертором тока Кроме этого, в ряде модификаций высоковольтных преобразователей частоты с инвертором тока применяется широтно-импульсная модуляция через блок управляемого выпрямителя. Это также требует использования многообмоточного входного трансформатора. Однако, у таких трансформаторов массогабаритные показатели лучше, чем у многоблочных высоковольтных преобразователей частоты.

Высоковольтный преобразователь частоты с инвертором тока содержит силовые элементы:

блок управляемого выпрямителя, который может быть собран по шестипульсной или восемнадцатипульсной схеме с электронными ключами на базе однооперационных тиристоров;

блок автономного инвертора тока, собранный по трёхфазной мостовой схеме с электронными ключами на базе запираемых тиристоров;

в промежуточном звене постоянного тока между выпрямителем и инвертором установлен реактор большой индуктивности для создания режима источника тока;

в выходной трёхфазной цепи преобразователя установлен конденсаторный фильтр двигателя, который является источником реактивной мощности для электродвигателя.

Преобразователь частоты предназначен для регулирования частоты вращения вала асинхронных и синхронных электродвигателей на номинальное напряжение питания 6 и 10 кВ. Диапазон изменения частоты тока статора от 0,2 до 70 Гц, а напряжения — от 0 до 6000 В или от 0 до 10 000 В.

Метод управления, используемый в высоковольтном преобразователе частоты с инвертором тока, называется бездатчиковым прямым векторным управлением. Это означает, что ток статора разлагается на составляющие, определяющие момент и поток, позволяя быстро изменять момент двигателя не влияя на его поток. Этот метод применяется без тахометрической обратной связи в случаях, когда требуется длительная работа двигателя при скоростях, соответствующих более 6 Гц и начальном пусковом моменте менее 100% номинального.

Полное векторное управление может быть осуществлено и с тахометрической обратной связью, когда требуется продолжительный режим работы двигателя при малых значениях скорости, соответствующих 0,2 — 6 Гц и с большим начальным пусковым моментом — до 150% номинального.

Анализ существующего парка преобразователей частоты показывает, что обеспечивается вся линейка приводных двигателей конвейерных установок. При выборе преобразователей частоты для регулирования скорости тягового органа конвейерной установки необходимо руководствоваться следующими правилами:

— номинальное напряжение приводного двигателя должно соответствовать номинальному напряжению преобразователя частоты;

— номинальная мощность (ток) преобразователя частоты должна соответствовать номинальной мощности (тока) преобразователя частоты;

— параллельное включение нескольких двигателей допускается только к преобразователям частоты с инвертором напряжения. Такое подключение двигателей допускается в пределах мощности (тока) преобразователя частоты (суммарная номинальная мощность подключенных двигателей должна быть равна или меньше номинальной мощности преобразователя частоты);

— преобразователь частоты с инвертором тока предназначен для работы с индивидуальным электроприводом, т. е. к нему можно подключить только один приводной двигатель конвейерной установки. Ряд конвейерных установок имеют несколько приводных двигателей, для них необходимо использовать несколько преобразователей частоты с инвертором тока, количество которых соответствует количеству двигателей;

— для шахт, опасных по газу и пыли, необходимо применение взрывозащищённых преобразователей частоты. Отечественная и зарубежная промышленность изготавливает специальные взрывозащищенные преобразователи частоты с инвертором напряжения для шахтных конвейерных установок мощностью до 500 кВт на напряжения 660 и 1140 В. Ряд модификаций преобразователей частоты имеют встроенную функцию динамического торможения, что необходимо для конвейеров, работающих на спуск груза.

3. Расчёт нагрузок и моментов инерции электроприводов конвейерной установки.

3.1 Методики расчёта нагрузок и моментов инерции электроприводов конвейерных установок.

Исходными данными для расчёта нагрузок и моментов инерции электроприводов конвейерных установок являются параметры и технические характеристики ленточного конвейера, и данные по приводным двигателям. Тяговый расчёт и выбор собственно конвейерной установки не производится. Подразумевается, что расчёт выполняется для конкретного горного предприятия с действующими машинами и механизмами, выбранными в соответствии с проектом для данного производства.

Для конвейерных установок простой конфигурации определяют усилия на грузовой и порожняковой ветвях конвейера:

Н; (3.1).

Н, (3.2).

где — коэффициент, учитывающий дополнительное сопротивление на поворотных пунктах (приводных барабанах и натяжных устройств) в зависимости от длины конвейера (табл. 3.1); - погонная масса груза на ленте, кг/м; - погонная масса ленты конвейера, кг/м; - погонная масса вращающихся частей роликов грузовой ветви, кг/м; - погонная масса вращающихся частей роликов порожняковой ветви, кг/м; - длина конвейера, м; - коэффициент сопротивления движению ленты по роликоопорам грузовой ветви конвейера; - коэффициент сопротивления движению ленты по роликоопорам порожняковой ветви конвейера; - угол наклона конвейера, градус, знак плюс в формулах принимается при движении грузовой или порожняковой ветви вверх, минус — вниз.

Таблица 3.1. Зависимость коэффициента дополнительного сопротивления от длины конвейера.

Погонная масса груза на ленте определяется по формуле.

кг/м, (3.3).

где — производительность конвейера, т/час; - скорость ленты, м/с.

На предприятиях минерально-сырьевого комплекса используются резинотканевые и резинотросовые ленты конвейерных установок трудновоспламеняющегося типа по ГОСТ 20– — 85. В технических характеристиках конвейерных лент приводятся данные массы 1 квадратного метра. Для определения погонной массы ленты используется формула.

кг/м, (3.4).

где — ширина ленты, м: — масса 1 квадратного метра ленты, кг/м².

В табл. 3.2 приведены технические характеристики шахтных резинотканевых лент для вычислений по формуле (3.4).

В табл. 3.3 приведены технические характеристики огнестойких резинотросовых лент для вычислений по формуле (3.4).

Погонная масса вращающихся частей роликов грузовой ветви определяется по формуле.

кг/м, (3.5).

где — масса ролика грузовой ветви (желобчатая роликоопора), кг; - расстояние между роликоопорами, м.

Таблица 3.2. Удельные массовые показатели шахтных резинотканевых лент в зависимости от числа прокладок, кг/м².

Таблица 3.3. Удельные массовые показатели огнестойких резинотросовых лент.

Погонная масса вращающихся частей роликов порожняковой ветви определяется по формуле.

кг/м, (3.6).

где — масса ролика порожняковой ветви (прямая роликоопора), кг; - расстояние между роликоопорами, м.

Массы роликоопор ленточного конвейера приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4. Массы роликоопор ленточного конвейера.

Типовое расстояние между роликоопорами:

· желобчатая роликоопора — 1,0 м;

· прямая роликоопора — 2,4 м.

Значения коэффициентов сопротивления движению зависят от условия работы конвейерной установки. В табл. 3.5 приведены данные по коэффициентам сопротивления движению в зависимости от условий работы.

Таблица 3.5. Значения коэффициентов сопротивления движению.

Суммарное тяговое усилие определяется как сумма усилий грузовой и порожняковой ветвей.

Н. (3.7).

Можно определить суммарное тяговое усилие с использованием общего коэффициента сопротивления движению.

Н; (3.8).

Приведенный к скорости двигателя момент статического сопротивления определяется по выражению.

Нм, (3.9).

где — радиус приводного барабана, м; - передаточное число редуктора; - КПД редуктора.

КПД редуктора зависит от числа ступеней редуктора и типа передачи. Значения КПД редукторов по каждой ступени передачи:

· цилиндрическая передача ;

· коническая передача .

Если имеется многоступенчатая цилиндрическая или коническая передача, то суммарное значение КПД редуктора определяется перемножением величин КПД по каждой ступени.

Угловая скорость барабана определяется в соответствии с выражением.

с^-1. (3.10).

Приведенная к скорости двигателя угловая скорость барабана.

с^-1. (3.11).

Для известных приведенных к скорости двигателя момента статического сопротивления и угловой скорости барабана можно проверить соответствие расчетной величины мощности и установленной мощности двигателя конвейерной установки:

кВт, (3.12).

где — коэффициент запаса, учитывающий неточности расчета коэффициентов сопротивления движению.

Момент инерции конвейерной установки условно можно разделить на две составляющие: момент инерции электропривода, создаваемый вращающимися элементами кинематической цепи и момент инерции механической части конвейера, создаваемый поступательно движущимися массами. К моменту инерции электропривода относят жёстко связанные между собой моменты инерции двигателя, редуктора и барабана .

кгм². (3.13).

Момент инерции механической части конвейера определяется поступательно движущимися массами груза на ленте, самой ленты, массами роликоопор грузовой и порожняковой ветвей. Приведенное к скорости двигателя значение момента инерции механической части конвейера определяется по выражению.

кгм². (3.14).

Суммарный момент инерции системы.

кгм². (3.15).

3.2 Пример расчёта нагрузок и момента инерции однодвигательного электропривода.

В качестве объекта расчёта нагрузок и момента инерции принимается ленточный конвейер типа 1Л100К, технические характеристики которого приведены в табл. 1.1. Ленточный конвейер имеет однобарабанный привод с одним двигателем. Приводной двигатель типа ВР280S4 имеет следующие технические характеристики:

Номинальная мощность — 110 кВт.

Номинальное напряжение статора — 380/660 В.

Номинальный ток статора — 200/116 А.

Номинальный КПД — 93,5%.

Номинальный коэффициент мощности () — 0,89.

Номинальная синхронная частота вращения — 1500 об/мин.

Номинальное скольжение — 0,01.

Кратность пускового тока — 6,8.

Кратность начального пускового момента — 2,0.

Перегрузочная способность по моменту — 2,8.

Момент инерции ротора — 2,93 кгм².

Условия эксплуатации ленточного конвейера.

Угольная шахта опасная по газу и пыли. Конвейер проложен по горизонтальной участковой выработке (). Длина конвейера 810 м. Хорошее состояние конвейера, небольшое загрязнение ленты, установка полустационарная. На конвейер работает переменный грузопоток с максимальным значением, не превышающим приёмную способность ленточного конвейера. Согласно статистическим данным годовая производительность конвейера составляет 2200 тыс. т/год. Режим работы конвейера — 20 час/сут. Количество рабочих дней в году — 305 дн/год. Годовое потребление электроэнергии ленточного конвейера составило 315 000 кВтч/год. Параметры сетевого напряжения для питания приводного двигателя — трёхфазная сеть 50 Гц, 660 В.

Определяется погонная масса груза на ленте в соответствии с (3.3).

кг/м, где т/час — производительность конвейера; м/с — скорость ленты (см. табл. 1.1).

На 1Л100К используется резинотканевая лента типа 2ШТК-200−4,5×3,5 с четырьмя прокладками. В соответствии с данными табл. 3.2 масса ленты составляет кг/м². Тогда, погонная масса ленты, в соответствии с (3.4).

кг/м, где м (1000 мм) — ширина ленты (см. табл. 1.1).

В соответствии с данными табл. 3.4, для конвейеров с лентой шириной 1000 мм применяются ролики диаметром 127 мм с массой 25 кг для желобчатой роликоопоры и ролики диаметром 127 мм с массой 21,5 кг для прямой роликоопоры.

Определяется погонная масса вращающихся частей роликов грузовой ветви в соответствии с (3.5).

кг/м.

Определяется погонная масса вращающихся частей роликов порожняковой ветви в соответствии с (3.6).

кг/м.

Определяется суммарное тяговое усилие с использованием общего коэффициента сопротивления движению в соответствии с (3.8).

Н, где — в соответствии с данными табл. 3.1; - в соответствии с данными табл. 3.5: — по условиям работы конвейер проложен по горизонтальной выработке.

Определяется момент статического сопротивления, приведенный к скорости двигателя в соответствии с (3.9).

Нм, где м, — в соответствии с данными табл. 1.1; получено для двухступенчатого редуктора.

Определяется угловая скорость барабана в соответствии с (3.10).

с^-1.

Приведенная к скорости двигателя угловая скорость барабана в соответствии с (3.11).

с^-1.

Проверка соответствия расчетной величины мощности и установленной мощности двигателя конвейерной установки в соответствии с (3.12).

кВт кВт.

Расчетная величина мощности приводного двигателя соответствует установленной мощности двигателя конвейерной установки.

Момент инерции электропривода в соответствии с (3.13).

кгм².

Момент инерции механической части конвейера, приведенный к скорости двигателя в соответствии с (3.14).

кгм².

Суммарный момент инерции системы в соответствии с (3.15).

кгм².

3.3 Пример расчёта нагрузок и момента инерции двухдвигательного электропривода.

Отличительной особенностью расчетов нагрузок и момента инерции конвейерной установки с двухдвигательным электроприводом является удвоение момента инерции ротора приводных двигателей.

В качестве объекта расчёта нагрузок и момента инерции принимается ленточный конвейер типа 2ЛУ100, технические характеристики которого приведены в табл. 1.1. Ленточный конвейер имеет однобарабанный привод с двумя двигателями. Приводной двигатель типа ВАОК450S6 с фазным ротором имеет следующие технические характеристики:

Номинальная мощность одного двигателя — 250 кВт.

Номинальное напряжение статора — 660 В.

Номинальный ток статора — -/265 А.

Напряжение на контактных кольцах при заторможенном роторе — 470 В.

Ток ротора — 315 А.

Номинальный КПД — 94,3%.

Номинальный коэффициент мощности () — 0,88.

Номинальная синхронная частота вращения — 1000 об/мин.

Номинальная частота вращения — 985 об/мин.

Перегрузочная способность по моменту — 2,5.

Момент инерции ротора — 18,4 кгм².

Условия эксплуатации ленточного конвейера.

Угольная шахта опасная по газу и пыли. Конвейер проложен по наклонному стволу (). Длина конвейера 1400 м. Хорошее состояние конвейера, небольшое загрязнение ленты, установка стационарная. На конвейер поступает переменный грузопоток с максимальным значением, не превышающим приёмную способность ленточного конвейера. Согласно статистическим данным годовая производительность конвейера составляет 1900 тыс. т/год. Режим работы конвейера — 18 час/сут. Количество рабочих дней в году — 305 дн./год. Параметры сетевого напряжения для питания приводного двигателя — трёхфазная сеть 50 Гц, 660 В.

Определяется погонная масса груза на ленте в соответствии с (3.3).

кг/м, где т/час — производительность конвейера; м/с — скорость ленты (см. табл. 1.1).

На 2ЛУ100 используется резинотросовая лента типа 2РТЛО-1500. В соответствии с данными табл. 3.3 масса ленты составляет кг/м². Тогда, погонная масса ленты, в соответствии с (3.4).

кг/м, где м (1000 мм) — ширина ленты (см. табл. 1.1).

В соответствии с данными табл. 3.4, для конвейеров с лентой шириной 1000 мм применяются ролики диаметром 127 мм с массой 25 кг для желобчатой роликоопоры и ролики диаметром 127 мм с массой 21,5 кг для прямой роликоопоры.

Определяется погонная масса вращающихся частей роликов грузовой ветви в соответствии с (3.5).

кг/м.

Определяется погонная масса вращающихся частей роликов порожняковой ветви в соответствии с (3.6).

кг/м.

Определяется суммарное тяговое усилие с использованием общего коэффициента сопротивления движению в соответствии с (3.8), учитывая, что конвейер работает на поднятие груза.

Н.

где — в соответствии с данными табл. 3.1; - в соответствии с данными табл. 3.5; - по условиям работы конвейер проложен по наклонной выработке.

Определяется момент статического сопротивления, приведенный к скорости двигателя, в соответствии с (3.9).

Нм, где м, — в соответствии с данными табл. 1.1; получено для двухступенчатого редуктора.