Тема: Автоматизированный электропривод ленточных конвейеров

  • Вид работы:
    Учебное пособие
  • Предмет:
    Другое
  • Язык:
    Русский
  • Формат файла:
    MS Word
  • Размер файла:
    237,13 Кб
Автоматизированный электропривод ленточных конвейеров
Автоматизированный электропривод ленточных конвейеров
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!















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

.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:

. Напряжение питающей сети должно соответствовать номинальному напряжению УПП.

. Номинальный ток УПП должен соответствовать току нагрузки двигателя.

. Тип применения (категория эксплуатации).

Для полного описания эксплуатационных возможностей УПП недостаточно указывать только показатель по току. В документах МЭК 60947-4-2 определены эксплуатационные категории АС53, используемые для определения показателей УПП. При выборе УПП необходимо учитывать следующие показатели:

. 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.

. Пусковой ток - максимальный пусковой ток, который реализуется во время пуска.

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

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

. Число рабочих циклов (пусков) в 1 час.

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 10000 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.

, м100200300450600850100015001,751,451,31,21,151,11,081,05

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

Тип конвейерной лентыЧисло прокладок345682ШТК-200-4,5х3,516,818,419,821,623,22ШТК-300-4,5х3,521,023,024,827,029,62ШТЛК-200-6х216,117,919,821,623,92ШТК-200-6х3,522,824,826,828,830,7

Таблица 3.3. Удельные массовые показатели огнестойких резинотросовых лент

Тип резинотросовой ленты2РТЛО-15002РТЛО-25002РТЛО-3150Масса ленты, кг/м2364348

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

Ширина ленты, ммЖелобчатая роликоопораПрямая роликоопорадиаметр ролика, мммасса, кгдиаметр ролика, мммасса, кг800898,5897,7800127221271910001272512721,512001595712726

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

Условия работы грузовой ветви порожняковой ветвиОбщий коэффициент сопротивления Очень хорошее состояние конвейера, работа без загрязнений, стационарные мощные установки0,020 - 0,0250,025 - 0,0350,025Хорошее состояние конвейера, небольшие загрязнения ленты или абразивная пыль, стационарные установки0,025 - 0,0300,030 - 0,0400,030Хорошее состояние конвейера, сильное загрязнение ленты, полустационарные установки0,030 - 0,0350,035 - 0,0450,035Удовлетворительное состояние конвейера, сильное загрязнение и запыление атмосферы, передвижные установки0,035 - 0,0450,040 - 0,0500,040

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 315000 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).


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 [6] 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.

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 (два двигателя по 250 кВт).

Расчетная величина мощности приводных двигателей соответствует суммарной установленной мощности двигателей конвейерной установки.

Момент инерции электропривода в соответствии с (3.13)


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

кгм2.

4. Структурные схемы электромеханической системы ленточного конвейера

.1 Математическое описание электромеханической системы ленточного конвейера с разомкнутой системой управления

Для исследования и анализа динамических свойств электромеханической системы ленточного конвейера необходимо его математическое описание. В зависимости от решаемых задач, математические модели могут быть разными. Применительно к задачам, решаемым посредством регулируемого электропривода конвейерных установок, возможно получение следующих математических моделей:

. Для решения задачи энергосбережения и повышения энергоэффективности технологии транспортирования полезного ископаемого математическую модель электромеханической системы можно получить на основе параллельной или последовательной коррекции координат. В этом случае электромеханическая система рассматривается как одномассовая, без учёта упругих свойств тягового органа.

. Для решения задачи ограничения динамических нагрузок в кинематических цепях электромеханической системы конвейерной установки математическая модель должна быть многомассовой. Структура управления в модели может быть как с параллельной, так и последовательной коррекцией координат.

В основе названных моделей лежит математическое описание электромеханической системы ленточного конвейера с разомкнутой системой управления. Современный регулируемый электропривод конвейерных установок с асинхронным приводным двигателем использует преобразователи частоты с автономными инверторами напряжения или тока. Математические модели частотно-регулируемых электроприводов довольно сложны и малопригодны для решения поставленных задач по энергосбережению и ограничению динамических нагрузок. Для решения задач по энергосбережению важны статические и энергетические свойства электромеханической системы конвейерной установки. Вопросы ограничения динамических нагрузок в тяговом органе связаны с низкочастотными механическими колебаниями перемещаемых масс, которые превалируют над высокочастотными электромагнитными колебаниями в системе «преобразователь частоты - двигатель».

Таким образом, для решения поставленных задач математическую модель можно значительно упростить, пренебрегая высокочастотными электромагнитными колебаниями. При этом становится неважно, какой принцип частотного управления используется - скалярный или векторный. Отличие состоит только в точности регулирования скорости, однако это обстоятельство практически не влияет на энергетические характеристики электропривода и демпфирующие свойства электромеханической системы.

Преобразователь частоты совместно с асинхронным двигателем, как объект математического описания, представляет собой динамическое звено высокого порядка. Если представить систему «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» в виде динамического звена второго порядка с электромеханической и электромагнитной постоянными времени, то можно считать, что оно представляет собой упрощенное математическое описание данной системы. Согласно теории автоматического управления, замена динамических звеньев высокого порядка звеном второго порядка является правомерной и ошибка не превышает допустимую величину [2].

Большинство преобразователей частоты в своей структуре управления обеспечивают стабилизацию результирующего вектора потокосцепления ротора в диапазоне выходных частот от нуля до номинальной частоты. Механические характеристики частотно-регулируемого электропривода при этом аналогичны механическим характеристикам электроприводов постоянного тока с независимым возбуждением. Имея высокую перегрузочную способность, механические характеристики частотно-регулируемого электропривода обладают в рабочей зоне высокой степенью линейности. Также как и в электроприводах постоянного тока, где скорость холостого хода зависит от напряжения холостого хода якоря, в частотно-регулируемом электроприводе синхронная скорость зависит от величины напряжения холостого хода статора. Уравнение механической характеристики частотно-регулируемого электропривода на линейной части рабочей ветви механической характеристики можно представить в следующем виде

, Нм, (4.1)

где - угловая скорость ротора.

Напряжение холостого хода статорной обмотки двигателя

, В, (4.2)

где - ток холостого хода двигателя, А; - индуктивное сопротивление контура намагничивания двигателя, Ом; - индуктивное сопротивление обмотки статора, Ом; - относительная частота статора; - номинальная частота статора, Гц.

В режиме холостого хода при , из (4.1) получаем , тогда

, Вс, (4.3)

где - номинальная синхронная угловая скорость двигателя при номинальной частоте статора, с-1.

Номинальный момент асинхронного двигателя в соответствии с (4.1), с учётом (4.3)

, Нм, (4.4)

где - номинальная угловая скорость ротора при номинальном моменте, с-1; - перепад номинальной угловой скорости, с-1.

Из выражения (4.4) получаем

, Нм/В, (4.5)

где - номинальное скольжение асинхронного двигателя.

Величина электромеханической постоянной времени системы

, с. (4.6)

Электромагнитная постоянная времени системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» определяется выражением

, с. (4.7)

Для определения электромагнитной постоянной времени, индуктивность и активное сопротивление приводятся к цепи постоянного тока преобразователя частоты.

Эквивалентное активное сопротивление системы (преобразователь частоты - асинхронный двигатель»

, Ом, (4.8)

где - активное сопротивление дросселя в цепи постоянного тока преобразователя частоты, Ом; - коэффициент передачи по току автономного инвертора; - активное сопротивление статорной обмотки, Ом; - активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к статорной обмотке, Ом; - индуктивность контура намагничивания двигателя, Гн; - полная индуктивность обмотки ротора; - индуктивность рассеяния обмотки ротора, Гн; - индуктивность обмотки ротора, приведенная к обмотке статора, Гн.

Эквивалентная индуктивность системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель»

, Гн, (4.9)

где - индуктивность цепи постоянного тока преобразователя частоты, Гн; - полная индуктивность обмотки статора, Гн; - индуктивность рассеяния обмотки статора, Гн.

Полученные аналитические выражения необходимо дополнить зависимостью напряжения холостого хода статора от сигнала управления. Обычно применяется пропорциональная зависимость

, В, (4.10)

где - статический коэффициент передачи преобразователя частоты; - номинальное напряжение управления преобразователем частоты, в расчётах принимать В в соответствии с ГСП.

В некоторых случаях учитывается электромагнитная инерционность системы управления преобразователем частоты. Величина электромагнитной инерционности очень мала (с) и часто ею пренебрегают.

В дополнение к полученным зависимостям включают также уравнение движения электропривода, чтобы связать в единую систему механические звенья с электрическими цепями. Для пусковых процессов при реактивном моменте статического сопротивления ,

, Нм, (4.11)

где - динамический момент, Нм.

Рис. 4.1. Структурная схема частотно-регулируемого электропривода

На основании полученных зависимостей имеем математическое описание одномассовой электромеханической системы ленточного конвейера с электроприводом по схеме «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» в виде структурной схемы, приведенной на рис. 4.1.

4.2 Одноконтурная система частотно-регулируемого электропривода ленточного конвейера для управления грузопотоком

Система управления предназначена для регулирования скорости тягового органа конвейерной установки в функции поступающего на него переменного грузопотока. Так как грузопоток не всегда является максимальным, то большую часть времени конвейерная лента движется с пониженной скоростью, обеспечивая максимальное сечение груза на всём протяжении ленты. Это обеспечивает электросбережение в системе регулируемого электропривода и ресурсосбережение дорогостоящей конвейерной ленты, так как снижается её пробег.

Для регулирования скорости в функции грузопотока, в качестве датчика грузопотока используются электронные конвейерные весы, которые устанавливаются на пути грузопотока перед его поступлением на сборный магистральный ленточный конвейер. Так как сигнал управления формируется датчиком грузопотока, то реализуется следящая система, которая задает управляющий сигнал на скорость в зависимости от массы груза, проходящего через электронные конвейерные весы. Система отслеживает грузопоток и создает, в зависимости от её величины, необходимую скорость ленты.

В комплект электронных конвейерных весов входит также датчик скорости. Наибольшее распространение получили конвейерные весы НПП «МЕТРА».

Техническая характеристика конвейерных весов НПП «МЕТРА»

Модель весовШирина конвейерной ленты, от - до, ммНаибольшая погонная нагрузка, кг/мПрименяемые тензодатчикиМ8400 - 150050, 127, 254, 500Z6FC3 - 20, 50, 100, 200 kgМ8400 - 3650 - 80050, 127, 254, 500Z6FC3 - 20, 50, 100, 200 kgМ8400 - 51000-1200127, 254, 500Z6FC3 - 50, 100, 200 kgМ8400 - 71400-1600254, 500Z6FC3 - 100, 200 kgВесы имеют токовый выход с диапазонами значений: 0…5 мА, 4…20 мА, 0…20 мА.

В комплекте поставки имеется датчик скорости ленты М4207, имеющий токовый выход с диапазонами значений: 0…5 мА, 4…20 мА, 0…20 мА. Датчик предназначен для измерения скорости ленты до 5 м/с.

Для установки конвейерных весов во взрывоопасной зоне грузоприёмное устройство комплектуется шкафом управления М6402. Внутри шкафа управления смонтированы барьеры искробезопасности, источник бесперебойного питания, источник питания модуля ввода-вывода, клеммные соединители для подсоединения внешних цепей.

Структурная схема одноконтурной системы регулирования по грузопотоку представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Структурная схема одноконтурной системы регулирования по грузопотоку ленточного конвейера

В структурной схеме приняты следующие обозначения: - погонная масса груза на ленте, кг/м; - коэффициент передачи конвейерных весов, В*м/кг; - сигнал (напряжение) задания скорости, В; - коэффициент обратной связи по скорости, Вс; - сигнал (напряжение) обратной связи по скорости, В; - передаточная функция регулятора скорости.

Для определения коэффициента передачи конвейерных весов необходимо выбрать конвейерные весы, например, по данным табл. 4.1 с погонной нагрузкой, соответствующей расчётной величине проектируемой конвейерной установки. Затем определяется величина коэффициента передачи:

, В*м/кг, (4.12)

где номинальная величина напряжения управления, в соответствии с ГСП В; - наибольшая погонная нагрузка, кг/м.

Коэффициент обратной связи по скорости рассчитывается для максимальной угловой скорости двигателя, соответствующая скорости ленты, т.е. . Тогда

, Вс, (4.13)

где В-напряжение обратной связи по скорости, принимается несколько меньше 10В для запаса на перерегулирование скорости в динамических процессах.

Для определения передаточной функции регулятора скорости используется настройка по модульному оптимуму. Желаемая передаточная функция при настройке по модульному оптимуму для разомкнутого контура скорости имеет вид:

, (4.14)

где - некомпенсируемая малая постоянная времени, компенсация которой нежелательна по условиям помехозащищенности.

Объект управления состоит из трёх последовательно соединенных звеньев (рис. 4.1): преобразователя частоты - электромагнитного звена двигателя - звена скорости двигателя - . Контур образован (рис. 4.2) регулятором скорости, частотным преобразователем, асинхронным двигателем и замыкается обратной связью по скорости с коэффициентом передачи .

В случае не учета влияния ЭДС двигателя () передаточная функция разомкнутого контура скорости запишется в виде

. (4.15)


. (4.16)

Таким образом, контур скорости оптимизируется пропорционально-дифференциальным регулятором (ПД-регулятором). Современные преобразователи частоты оснащаются пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором (PID controller). Для вычисления его параметров используется выражение (4.16):

; (4.17)

; (4.18)

, с. (4.19)

4.3 Двухконтурная система частотно-регулируемого электропривода ленточного конвейера для управления грузопотоком

Управление грузопотоком в одноконтурной системе регулирования имеет существенный недостаток, связанный с отсутствием возможности контроля тока статорной цепи двигателя. Поэтому, наряду с одноконтурной, получила распространение система с двухконтурной системой подчиненного регулирования. В такой системе внутренним контуром является контур регулирования тока (момента), а внешним - контур регулирования скорости. Структурная схема двухконтурной системы подчиненного регулирования для управления грузопотоком ленточного конвейера с частотно-регулируемым электроприводом представлена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Структурная схема двухконтурной системы подчиненного регулирования по грузопотоку ленточного конвейера

По сравнению с одноконтурной системой регулирования на структурной схеме рис. 4.3 имеются дополнительные обозначения: - сигнал (напряжение) задания тока, В; - коэффициент обратной связи по току, В/А; - сигнал (напряжение) обратной связи по току, В; - передаточная функция регулятора тока; - коэффициент пропорциональности между электромагнитным моментом двигателя и током статора, Нм/А.

Коэффициент обратной связи по току рассчитывается из условия обеспечения пускового тока, равного двукратной величине номинального тока статора . Можно перейти к коэффициенту обратной связи по моменту. В этом случае . Тогда

, В/А или , (4.20)

где В-напряжение обратной связи по току или моменту, принимается несколько меньше 10 В для запаса на перерегулирование тока или момента в динамических процессах.

Коэффициент пропорциональности между электромагнитным моментом двигателя и током статора при работе на рабочей части механической характеристики асинхронного двигателя можно определить по приближённой формуле

, Нм/А, (4.21)

где - номинальный момент двигателя, Нм.

Для определения передаточной функции регуляторов скорости и тока используется настройка по модульному оптимуму. Синтез двухконтурной системы подчиненного регулирования начинается с внутреннего контура регулирования тока. Желаемая передаточная функция при настройке по модульному оптимуму для разомкнутого контура тока имеет вид (4.14). Объект управления состоит из двух последовательно соединенных звеньев (рис. 4.3): преобразователя частоты - и электромагнитного звена двигателя - . Контур тока образован регулятором тока, частотным преобразователем, звеном пропорциональности между электромагнитным моментом и током статора и замыкается обратной связью по току с коэффициентом передачи .

В случае не учета влияния ЭДС двигателя () передаточная функция разомкнутого контура тока запишется в виде

. (4.22)

Принимаем величину равной некомпенсируемой постоянной времени , приравниваем выражение (4.22) желаемой передаточной функции (4.14) разомкнутого контура тока (момента) и определяем из полученного равенства передаточную функцию регулятора тока (момента)

или . (4.23)

Таким образом, контур тока (момента) оптимизируется пропорционально-интегральным регулятором (ПИ-регулятором). Современные преобразователи частоты оснащаются пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором (PID controller). Для вычисления его параметров используется выражение (4.23):

или ; (4.24)

или , с-1; (4.25)

. (4.26)

Оптимизация внешнего контура скорости производится при следующих условиях:

. Быстродействие внешнего контура скорости уменьшается в два раза по отношению к быстродействию внутреннего контура. Поэтому желаемая передаточная функция внешнего контура (4.14) преобразуется к виду

. (4.27)

. Оптимизированный внутренний контур тока (момента) аппроксимируется инерционным звеном с постоянной времени и имеет вид

или . (4.28)

Разомкнутый контур скорости на рис. 4.3 включает в себя регулятор скорости, оптимизированный внутренний контур тока (момента), интегрирующее звено скорости объекта управления и обратную связь по скорости. Передаточная функция разомкнутого контура скорости записывается в виде

или

(4.29)

Принимаем величину равной некомпенсируемой постоянной времени , приравниваем выражение (4.29) желаемой передаточной функции (4.27) разомкнутого контура скорости и определяем из полученного равенства передаточную функцию регулятора скорости

или . (4.30)

Таким образом, контур скорости оптимизируется пропорциональным регулятором (П-регулятор).

4.4 Математическое описание электромеханической системы при учёте упругих механических свойств конвейерной ленты

Конвейерную ленту можно представить в виде однородного тела, состоящего из упругих стержней с распределенной массой, которые подвержены действию сухого и вязкого трения. Распространение упругих колебаний в данных стержнях описываются дифференциальными уравнениями второго порядка в частных производных.

Анализ электромеханических свойств и синтез системы управления электроприводом при таком математическом описании упругих свойств ленты аналитическим способом является практически невозможным. Анализ и синтез удобно производить при представлении конвейерной ленты в виде сосредоточенных масс. При этом число сосредоточенных масс выбирается из условия совпадения основных собственных частот колебаний в системе с сосредоточенными массами и в системе с распределёнными массами. Исследования в этой области показывают, что при числе масс, равном шести, основные собственные частоты колебаний соответствуют системе с распределёнными массами. Аналитический анализ при таком количестве масс является сложным из-за высокого порядка дифференциальных уравнений. Если с помощью регулируемого электропривода будет обеспечиваться демпфирование колебаний в ленте с достижением апериодического характера переходного процесса, то электромеханическую систему достаточно представить в виде двухмассовой, удобной для анализа и параметрического синтеза.

При математическом описании используются следующие общепринятые допущения: не учитываются силы вязкого трения; конвейерная лента обладает только упругой деформацией; центр второй массы располагается в середине суммы поступательно движущихся масс.

Механическая часть двухмассовой системы конвейерной установки описывается системой дифференциальных уравнений [5] в операторной форме:

; ;

; , (4.31)

где - момент инерции первой массы, к которой относятся механически жестко связанные вращающиеся элементы двигателя, редуктора и барабана (3.13), кгм2; - момент инерции второй массы, к которой относится приведенное к скорости двигателя значение момента инерции механической части конвейера (3.14), кгм2; - угловая скорость первой массы, к которой относится угловая скорость ротора двигателя, с-1; - угловая скорость второй массы, к которой относится скорость ленты, приведенная к угловой скорости ротора двигателя, с-1; - электромагнитный момент двигателя, Нм; - момент статического сопротивления (3.9), Нм; - момент упругих сил на набегающей ветви ленточного конвейера, Нм; - момент упругих сил на сбегающей ветви ленточного конвейера, Нм; - приведенный коэффициент круговой жесткости между первой и второй массами, Нм; - приведенный коэффициент круговой жесткости между второй и первой массами, Нм.

В системе дифференциальных уравнений (4.31) разность моментов упругих сил в набегающей и сбегающей ветвях ленточного конвейера представим как момент упругой нагрузки

, Нм. (4.32)

Систему дифференциальных уравнений (4.31) с дополнением (4.32) представим в виде структурной схемы рис. 4.4.

Для механической части структурной схемы рис. 4.4 необходимо рассчитать коэффициенты круговой жёсткости и . Для расчета этих величин необходимо знать модуль динамической упругости конвейерной ленты. В табл. 4.2 приведены данные по модулю динамической упругости для резинотканевых и резинотросовых конвейерных лент. Данные для резинотканевых лент приведены при ширине ленты 1000 мм и четырёх прокладках.

Рис. 4.4. Структурная схема механической части привода ленточного конвейера

Модуль динамической упругости резинотканевых и резинотросовых лент, Н

2ШТК-200-4,5х3,52ШТК-300-4,5х3,52ШТЛК-200-6х22ШТК-200-6х3,52РТЛО-15002РТЛО-25002РТЛО-31501,65*1072,8*1071,35*1072,5*1073,3*1086,3*1089,4*108

Приведенный коэффициент круговой жёсткости конвейерной ленты определяется по формуле

, Нм, (4.33)

где - модуль динамической упругости, Н; - длина конвейерной ленты, м; - радиус приведения, м; - номинальная линейная скорость ленты, м/с; - номинальная угловая скорость ротора двигателя, с-1.

Длина конвейерной ленты зависит от условного местонахождения центра второй массы. Для определения местонахождения центра второй массы составим эквивалентную расчётную схему конвейерной установки (рис. 4.5). На эквивалентной расчётной схеме - расстояние от первой массы до условного центра второй массы. Производя обход по контуру конвейерной установки, получаем расстояние от условного центра второй массы до первой массы

, м. (4.34)

Рис. 4.5. Эквивалентная расчётная схема для определения условного центра второй массы

Будем считать, что условный центр второй массы получается в результате баланса рассредоточенных масс справа и слева от условного центра до центра первой массы, тогда


откуда получаем

конвейерный электропривод нагрузка ленточный

. (4.35)

Учитывая общее выражение для приведенного коэффициента круговой жёсткости конвейерной ленты (4.33), получаем

, Нм. (4.36)

, Нм. (4.37)

Список литературы

1. Белоусенко И.В., Шварц Г.Р., Великий С.Н., Ершов М.С., Яризов А.Д. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике нефтегазовой промышленности. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. - 478 с.

. Бесекерский В.А., Герасимов А.Н., Лучко С.В., Небылов А.В. и др. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления. - М.: Наука, 1978. - 512 с.

. Ершов М.С., Яризов А.Д. Ресурсосберегающий электропривод технологических установок трубного транспорта газа, нефти и нефтепродуктов: Учебное пособие. - М.: ООО «Издательский дом Недра», 2010. - 136 с.

. Костюк В.С., Волкова Л.П., Фащиленко В.Н. Регулируемый электропривод шахтных установок: Учебное пособие. - М.: МГИ, 1984. - 65 с.

. Ляхомский А.В., Фащиленко В.Н. Автоматизированный электропривод горных машин и установок. Часть 1: Автоматизированный электропривод механизмов циклического действия: Учебное пособие / Под ред. А.В. Ляхомского. - Издательство «Горная книга», 2014. - 476 С.

. Ляхомский А.В., Фащиленко В.Н. Управление электромеханическими системами горных машин. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. - 296 с.

Похожие работы

 

Не нашел материала для курсовой или диплома?
Пишем качественные работы
Без плагиата!