Учебно - методическое пособие

Учебно - методическое пособие

 

 

ЭЛЕКТРОПРИВОД ГОРНЫХ МАШИН

 

Учебно - методическое пособие

для студентов дневного и заочного отделений специальности 13.02.11 и 21.02.17.

 

 «Горные машины и оборудование»

 

 

В учебно-методическом пособии рассматриваются следующие вопросы: понятие электропривода, механика электропривода, особенности эксплуатации электроприводов горных машин (для подземных и открытых разработок); электрооборудование горных машин; конструкции, принцип действия, механические и регулировочные характеристики, тормозные режимы работы электрических двигателей, некоторые вопросы систем управления электроприводами.

Рассмотрены конструкции, принцип действия, механические и регулировочные характеристики, тормозные режимы работы асинхронных двигателей, а также приведены примеры асинхронных двигателей, применяемых в электроприводах горных машин.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................... 4

1. ЭЛЕКТРОПРИВОД..................................................................... 5

 Составные части электропривода.............................................. 5

 Механика ЭП.............................................................................. 8

 Основное уравнение движения ЭП............................................ 9

 Приведение статических моментов и усилий к валу электродвигателя      14

 Расчет момента инерции привода J........................................ 16

2. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

ГОРНЫХ МАШИН....................................................................... 18

3. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ГОРНЫХ МАШИН................... 21

 Требования к электрооборудованию горных предприятий.... 22

 Асинхронные машины.............................................................. 30

Принцип работы и устройство асинхронных машин. 30

Схемы замещения АМ.................................................. 31

Механическая характеристика АМ.............................. 34

3.2.4 Способы регулирования частоты вращения АМ.......... 38

Способы пуска асинхронных двигателей.................... 44

Тормозные режимы АМ............................................... 46

Асинхронные машины, применяемые

для электроприводов горных машин.................................... 49

ЛИТЕРАТУРА............................................................................... 65

 

3

ВВЕДЕНИЕ

Современные горные предприятия представляют собой предпри- ятия с высоким уровнем механизации, на которых сосредоточено большое количество машин различного функционального назначе- ния, основные группы которых составляют горные и транспортные машины и комплексы. Способы разработки месторождений полез- ных ископаемых неразрывно связаны с уровнем развития, как тех- нологии добычи, так и используемой техники.

К горным машинам (ГМ) относят машины, производящие раз- рушение полезных ископаемых и пород, их погрузку на транспорт- ные средства, выдачу полезного ископаемого или породы за преде- лы очистного или проходческого забоя, а также машины, осуществ- ляющие крепление в подземных условиях очистных и проходческих выработок.

Различают выемочные ГМ (очистные и проходческие), погрузоч- ные машины, крепи (механизированные и индивидуальные), буриль- ные машины. К выемочным относятся очистные и проходческие комбайны, угольные струги, одно- и многоковшовые экскаваторы, земснаряды, драги. На открытых горных работах используются ком- плексы машин непрерывного действия, имеющие в своем составе мощные многоковшовые (роторные) экскаваторы и ленточные маги- стральные конвейеры; конвейерный транспорт: скребковые, ленточ- ные, ленточно-цепные и пластинчатые конвейеры; рельсовый транс- порт: локомотивы, вагоны, большегрузные вагоны, самоходные ва- гонетки. При подземной добыче руд получает массовое использование самоходное горное оборудование (бурильные маши- ны, погрузочно-транспортные машины, самоходные вагонетки).

В настоящее время автоматизация работы установок и механиз- мов становится возможной благодаря использованию автоматизи- рованного электропривода (АЭП). Все большее количество совре- менных ГМ имеют электроприводы и повышение производительно- сти, надежности работы горной техники неразрывно связано с ее автоматизацией.

 

 

4

ЭЛЕКТРОПРИВОД

Составные части электропривода

Рациональное проектирование современного автоматизированно- го электропривода (АЭП) требует глубокого знакомства с условиями работы производственного механизма. Оно может вестись лишь на основе тщательно разработанного технического задания, в котором должны быть учтены все особенности производственного процесса и условия работы исполнительного механизма. Электропривод (ЭП) является одним из основных элементов любой электромеханической системы. От его свойств и характеристик в значительной мере зави- сит производительность рабочей машины и качество выпускаемой ею продукции. Поэтому проектирование ЭП должно вестись взаимо- связано с проектированием рабочей машины.

В простейшем случае ЭП представляет собой электродвигатель (ЭД), питаемый от сети и приводящий в движение какой-либо ме- ханизм. При этом система управления может сводиться к обычному пакетному выключателю, включающему ЭД в сеть.

Электропривод это электромеханическая система, состоящая их электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенных для приведения в дви- жение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

На рис. 1.1 изображена структурная схема автоматизированного электропривода (АЭП), где:

П – преобразователь электроэнергии – устройство, преобразую- щее электроэнергию сети (сеть постоянного тока характеризуется величинами напряжения U c и тока I c; электрическая сеть перемен- ного тока характеризуется величиной напряжения U С, частотой f С, количеством фаз m) в электроэнергию с другими параметрами – U П, I П, или U П, f П, m П. П предназначен для питания ЭД и создания управляющего воздействия на него;

ЭД – электродвигатель (электромеханический преобразователь – преобразует электрическую энергию в механическую с параметра- ми М (вращающий момент), w (угловая скорость);

ПУ – передаточное устройство (кинематическая цепь). ПУ – осуществляет преобразование движения в механической части ЭП.

5

При помощи ПУ можно увеличить или снизить скорость вращения, изменить вид движения (преобразовать вращательное в поступа- тельное). К ПУ относятся редукторы, винтовые, зубчатые, реечные, ременные передачи, кривошипно-шатунные механизмы и т.д.

ПУ характеризуется коэффициентом передачи, механической инерционностью и упругостью его элементов.

УУ – устройство управления – управляет преобразователем и получает командные сигналы от задающего устройства (ЗУ), а ин- формацию о текущем состоянии ЭП и технологического процесса – от датчиков обратной связи (ОС). УУ сравнивает показания датчи- ков с опорными величинами и, при наличии рассогласования, выра- батывает управляющий сигнал, воздействующий через П на ЭД в направлении устранения возникшего рассогласования с требуемой точностью и быстродействием.

РО – рабочий орган исполнительного механизма, при враща- тельном движении характеризуется моментом инерции J ро, угловой

скоростью w   ро и моментом М ро; при поступательном движении – массой m ро, линейной скоростью v ро и силой F ро.

 

Рис. 1.1. Структурная схема автоматизированного электропривода

 

Жирными линиями обозначен силовой поток мощности, тонки- ми – слаботочные линии или провода управления.

 

6

Верхний ряд прямоугольников (рис. 1.1) отражает структуру так называемой разомкнутой системы АЭП, которая характеризуется тем, что выходные параметры системы M ро, w ро, (F ро, v ро) не связа- ны электрически с входом этой системы (система не имеет обрат- ных связей).

ОС – обратная связь – канал воздействия выходных или проме- жуточных параметров системы на ее управляющий вход. Для орга- низации ОС необходимы датчики (ДОСЭ – датчики обратной связи электрические, ДОСМ – датчики обратной связи механические). С помощью этих датчиков ток, напряжение,скорость, момент или усилие, положение (перемещение) исполнительного органа рабочей машины, преобразуются в пропорциональные этим параметрам электрические сигналы.

В структурной схеме АЭП можно выделить три части:

1) электрический двигатель;

2) механическая часть – для передачи механической энергии от ЭД к исполнительному органу и для изменения вида, скорости дви- жения;

3) система управления (СУ). Электроприводы различают:

– по виду движения: вращательного и поступательного, однона- правленного и реверсивного, возвратно-поступательного; эти дви- жения могут иметь как непрерывный, так и дискретный характер;

– по принципам регулирования скорости и положения: нерегу- лируемый; регулируемый; следящий (с помощью ЭП воспроизво- дится перемещение РО); программно-управляемый (ЭП обеспечи- вает перемещение РО в соответствии с заданной программой); адаптивный (ЭП автоматически обеспечивает наиболее выгодный режим движения РО); позиционный (ЭП обеспечивает регулирова- ние положения РО);

– по способу передачи механической энергии: индивидуаль- ный – когда каждый РО рабочей машины приводится в движение своим отдельным ЭД (является основным ЭП, так как при этом упрощается кинематическая передача от ЭД к РО, упрощается ав- томатизация технологического процесса, улучшаются условия об- служивания рабочей машины); взаимосвязанный ЭП – содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой ЭП, например, многодвигательный ЭП, при котором не-

7

сколько ЭД работают на общий вал, приводя в движение один РО, или РО одной машины приводится в движение несколькими ЭД, т.е. по разным координатам движение обеспечивается одиночными ЭД; групповой ЭП – от одного ЭД приводится в движение несколько РО одной или нескольких рабочих машин, имеет разветвленную кинематическую цепь (трансмиссию).

 

Механика ЭП

Механическая часть ЭП может представлять собой сложную ки- нематическую цепь с большим числом движущихся элементов. Она передает механическую энергию с помощью ПУ от вала ЭД к рабо- чему органу производственной машины, где эта энергия реализует- ся в полезную работу. Конструктивное выполнение механической части может быть различным, но имеет определенные звенья:

– ЭД как звено механической части – источник или потребитель механической энергии. В механическую часть привода входит лишь вращающаяся часть ЭД – его ротор, который обладает определен- ным моментом инерции и может вращаться с некоторой угловой

скоростью ω и развивать движущий или тормозящий момент М;

– элементы ПУ вращаются или движутся поступательно с разной скоростью, имеют определенный момент инерции (массу), соедине- ния между ними в общем случае содержат зазоры. Наличие этих свойств элементов ПУ вносит определенные искажения в процесс передачи движения и требует соответствующего учета. Анализ меха- нического движения осуществляется с помощью расчетных схем ЭП. Для облегчения расчетов переходят к расчетной схеме, т.е. обычно приводят все инерционные массы механических звеньев, все внешние моменты и силы к валу ЭД. Движущие моменты, инерционные массы, моменты сопротивления должны быть пере- считаны так, чтобы сохранились кинематические и динамические свойства исходной системы. Расчетную схему можно свести к од- ному обобщенному жесткому звену, имеющему эквивалентную массу с моментом инерции J S, на которую воздействует электро- магнитный момент двигателя М и суммарный, приведенный к валу двигателя, момент сопротивления (статический момент М с), вклю- чающий все механические потери в системе, в том числе механиче-

 

8

ские потери в двигателе. Считаем, что система абсолютно жесткая (рис. 1.2).

 

М с

Рис. 1.2. Расчетная схема ЭП

 

В соответствие с основным законом динамики для вращающего- ся тела векторная сумма моментов, действующих относительно  оси

вращения, равна производной момента количества движения. Дви- жение материального тела определяется вторым законом Ньютона:

   d v  n              d w

S F = m;

dt

å  M i = J

i =1            dt

– для поступательного и вращательного

движения соответственно, где S M, S F

– векторные суммы момен-

 

тов и сил, действующих на тело,

d w  = e,

dt

dv  =  a 

dt

 

– угловое ускоре-

ние и ускорение поступательно движущегося тела соответственно,

w, v – угловая и линейная скорости тел, движущихся вращательно

и поступательно.

Момент сопротивления М с, возникающий на валу рабочей ма- шины, состоит из двух слагаемых: полезной работы РО (связана с выполнением соответствующей технологической операции) и рабо- ты сил трения.

 

Основное уравнение движения ЭП

Для приведения к валу ЭД момента или усилия нагрузки РО производственной машины используют баланс мощностей в меха- нической части ЭП.

Баланс мощностей для ЭП можно записать в виде формулы 1.1.

 

 

9

Р = Р С + Р Д  ,                              (1.1)

 

где Р – мощность, развиваемая ЭД (Вт);

Р С – мощность статической нагрузки, в т.ч. и мощность, затра- чиваемая на преодоление сил трения;

Р Д – мощность, обусловленная изменением кинетической энер- гии системы.

Выражения определения мощностей для вращательного движе- ния имеют вид:

 

Р = М w;

 

Р С = М Сw;

 

Р =  dA k

^Д dt

= M Дw,

 

где М – вращающий момент ЭД;

w – угловая скорость вала ЭД, рад/с;

М С – момент статической нагрузки, приведенный к валу ЭД;

Р Д, М Д –динамическая мощность и динамический момент, учи-

J Sw²

тывающие изменение кинетической энергии A k   = 2;

dA k – скорость нарастания кинетической энергии системы.

dt

Исходя из вышеизложенного, можно записать следующее урав- нение для определения динамической мощности:

 

dA k

d w w² æ dJ _S ö

Р Д =

dt = J Sw dt +

2 ç  dt ÷ ;

 

è

ø

(1.2)

d w w² dJ S  d a

Р Д = J Sw dt + 2

·,

d a dt

10

где d a

J S

– угол поворота вала ЭД за время dt, w = d a ;

dt

– суммарный момент инерции системы, приведенный к валу ЭД.

Динамический момент можно выразить следующим образом:

 

2

M = P Д  = d w  + w   dJ S .                  (1.3)

Д  w J S   dt 2   d a

Тогда в соответствии с (1.1) можно записать:

 

М = М С + М Д.

 

Уравнение движения ЭП, в общем виде, имеет вид:

 

2

M =  + d w  + w   dJ S ,                   (1.4)

М С J S  dt

2 d a

 

где М и w – текущие значения момента и угловой скорости ЭД. За- висимость момента М от угловой скорости w называется механиче- ской характеристикой.

Вместо момента инерции часто вводится понятие махового мо- мента (GD ²):

 

 

GD ²

 

= 4 gJ,

GD ²

J =   ,

4 g

где G – вес системы (сила тяжести), Н;

D – диаметр инерции, м;

g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с².

В этом случае уравнение движения ЭП принимает следующий вид:

 

M = М С +

GD ² dn

375 dt

+ n 2

7200

dGD ²

d a

 

,                (1.5)

 

 

11

где n – частота вращения вала ЭД (об./мин). Следует отметить, что

n связана с угловой скоростью ω (рад/с) соотношением w = 2p n.

60

В ряде случаев М С определяется угловой скоростью производ- ственного механизма (вентилятора, насоса, компрессора). Момент

инерции привода

J S для большинства машин (кривошипных) явля-

ется периодической функцией, явно зависящей от угла a или вре-

мени t. Если момент инерции движения приобретает вид:

J S не зависит от угла a, уравнение

 

М - М С

= J S

d w .                            (1.6)

dt

Для поступательного движения выражения определения мощно- стей имеют вид:

 

Р = Fv;

 

P C = F C v;

 

P = dA k  ,

^Д dt

где F – движущая сила, Н;

v – линейная скорость перемещения точки приложения этой си- лы, м/с;

F C – сила сопротивления;

m S v ²

А k   = 2 – кинетическая энергия;

m S – масса системы, приведенная к скорости точки приложения силы. Тогда уравнение движения ЭП будет иметь вид:

 

dv v ² dm S

F = F C + m S  dt + 2

,                      (1.7)

dL

12

где L – путь, пройденный точкой приложения силы.

Если масса системы остается неизменной

m S = const,

то уравне-

ние движения ЭП для поступательного движения запишется в виде:

 

F = F + m  dv .                            (1.8)

C   S dt

Статические моменты (моменты сопротивления) делятся:

– на активные – обусловленные потенциальными силами и не меняющие своего направления при изменении направления движе- ния (при подъеме и опускании груза), они могут быть движущими, и могут препятствовать движению;

– реактивные – всегда направленные против движения (момен- ты, обусловленные силами трения).

При установившемся режиме работы скорость привода постоян- на (М = М С). Переходный режим работа ЭП – это режим работы при переходе от одного установившегося состояния к другому. Причи- нами возникновения переходных режимов в ЭП являются измене- ние нагрузки, связанное с производственным процессом, либо воз- действие на ЭП при управлении им, т.е. пуск, торможение, измене- ние направления движения, а также нарушения нормальных условий электроснабжения (изменение напряжения, частоты сети).

Уравнение движения ЭП должно учитывать все силы и моменты, действующие в переходных режимах. С учетом вышесказанного, уравнение движения электропривода представим в виде:

 

± M  M C

= J S

d w.

dt

 

(1.9)

 

Уравнение движения ЭП (1.9) показывает, что развиваемый дви- гателем вращающий момент М уравновешивается моментом сопро- тивления М С на его валу и динамическим (инерционным) моментом

М Д = J S

d w . Знаки «+» и «–» говорят о двигательном и тормозном

dt

режимах работы.

 

 

13

Приведение статических моментов и усилий к валу электродвигателя

Обычно ЭД приводит в действие производственный механизм через систему передач. При расчетах все моменты и усилия необхо- димо привести к одному валу (чаще к валу ЭД), учитывая при этом потери на трение и КПД (h) передач. В качестве примера рассмот-

рим кинематическую схему (рис. 1.3).

 

 

i 1, h1

М С

 

i 2 , h2

М

М РО, wРО

 

(F РО,

v РО)

 

Рис. 1.3. Кинематическая схема механизма

 

Мощность РО исполнительного механизма Р РО, в соответствии с

вышеизложенным, определяется по формулам:

Р РО =  М РО ×wРО

(М РО – вращающий момент на РО) или

P PO =  F PO v PO

(F PO – сила,

действующая на РО при поступательном движении),

i = w = i i

– передаточное отношение (i = w , i

= w1

– пе-

PО wPO 1 2

1 w1

² w РО

редаточные отношения редукторов).

Выражения приведения статических моментов и усилий к валу ЭД в зависимости от режима работы ЭП, с учетом КПД, сведены в табл. 1.1.

 

14

Таблица 1.1

 

1. Двигательный режим (подъем груза)     Р С                                                  Р РО   D Р   Р С = Р РО+ D Р; Р =  Р РО С   h для вращательного движения: М w =  М РОωРО, С           h тогда М = М РО wРО = М РО 1; С  h w   h i P для поступательного движения: М w   =  F PO v PO, С                 h тогда M = F POr C    h

2. Тормозной режим (спуск груза)     Р С                                                                         Р РО   D Р Р С = Р РО - D Р, Р С = Р РОh для вращательного движения: М Сw = М РОwРОh, тогда М = М РО h ; С    i P для поступательного движения: М Сw = F PO v POh, тогда M = F PO v POh ; C       w M C = F POrh

 

В табл. 1.1 приняты следующие обозначения:

D Р – мощность потерь в механических звеньях;

w – угловая скорость вала ЭД, w = p n;

30

h – КПД механической части ЭП, h = h₁h₂;

r = v – радиус приведения усилия нагрузки к валу ЭД.

w

Необходимо отметить, что тивным параметром ПУ.

i PО

и r определяются по конструк-

 

15

Общее выражение для приведения статических моментов к валу ЭД имеет вид:

 

М = М

+ n М i +  l

F k v k

 

,                 (1.9)

С      Р å  i h

å h w

i =1  i  i  k =1  k

где М Р – статический момент сопротивления на роторе ЭД. Второе и третье слагаемые учитывают моменты всех частей движущихся вращательно и поступательно соответственно.

 

Расчет момента инерции привода J

Инерционное действие вращающихся частей механизма, нахо- дящихся на промежуточных валах, можно заменить действием во- ображаемого маховика, расположенного на валу ЭД и обладающего запасом кинетической энергии, равным запасу кинетической энер- гии действующих частей.

Приведение инерционных масс и моментов инерции механиче- ских звеньев к валу ЭД заключается в том, что эти массы и момен- ты инерции заменяются одним эквивалентным моментом инерции

J S на валу ЭД (т.е. расчет J S производится исходя из условия ра-

венства кинетических энергий, запасенных во всех движущихся элементах ЭП и кинетической энергии, которая должна быть запа- сена в эквивалентном маховике).

Рассчитаем суммарный момент инерции ЭП для примера на ри- сунке 1.3. Кинетическая энергия, запасенная искомым моментом

w2

инерции

J S определяется по формуле J S

; кинетические энер-

2

гии, записанные в движущихся элементах ЭП:

 

w2      w2

J 1    1  = J 1¢ ,

2     2

w2       w2

J 2   2   = J 2¢ ,

2      2

 

где

J ₁¢  , J ₂¢  – моменты инерции, приведенные к валу ЭД. Тогда

 

 

16

J 1¢

w²    1

i

;

w

2        2

= J 1  1  = J 1

1

J 2¢

w²    1

i

.

w

2        2

= J 2  2  = J 2

2

 

При наличии поступательного движения элементов, деталь ме- ханизма с массой m, движущуюся поступательно со скоростью v,

заменяем воображаемой деталью с моментом инерции ложенной валу ЭД:

J П¢  ,  распо-

 

=

¢

w2     v 2

J      m

Þ  J ¢ =

v 2.

 

^П 2     2

_П m w2

Запас кинетической энергии ЭП остается неизменным, на осно- вании чего можно записать:

w2       w2

J S 2 = J Д  2

n

+ å  J i i =1

w i   2

2

 

l

+ å  m k

k =1

v k 2

2

 

,          (1.10)

 

где J Д

– момент инерции двигателя, определяемый из каталога.

Уравнение для расчета суммарного момента инерции ЭП полу- чим, разделив выражение (1.10) на w² / 2:

 

J S = J Д

n

+

1

å  J i i +

l

å  m k

(v k

w

)²,              (1.11)

i =1 i k =1

 

где второе и третье слагаемые уравнения являются суммарными моментами инерции всех вращательно и поступательно движущих- ся элементов ЭП соответственно.

 

 

17

ВЗРЫВООПАСНЫЕ СМЕСИ