CC BY
84
УДК 621.31
A.С. Семёнов
старший преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация горного производства», ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» (филиал), г. Мирный
А.Л. Пак
аспирант, ассистент кафедры «Электрификация и автоматизация горного производства», ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» (филиал), г. Мирный
B. С. Шипулин
студент кафедры «Электрификация и автоматизация горного производства», ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова»
(филиал), г. Мирный
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА ПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОГРУЗОЧНО-ДОСТАВОЧНЫХ МАШИН ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РУДНИКАМ ПО ДОБЫЧЕ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ ПОРОД
Аннотация. Данная научная статья посвящена вопросу моделирования режима пуска электродвигателя погрузочно-доставочных машин, используемых на подземных рудниках по добыче алмазосодержащих пород (кимберлита). Представлено описание технологии производства работ по добыче кимберлита. Приводится описание ряда погрузочно-доставочных машин в электрическом исполнении. Рассматриваются характеристики системы электропривода и электродвигателя машины. Произведено моделирование режима пуска электродвигателя погрузочно-доставочной машины. Получены электрические параметры и построена механическая характеристика двигателя.
Ключевые слова: погрузочно-доставочная машина, подземный рудник, электродвигатель, электрический привод, моделирование, режимы работы, механическая характеристика.
A.S. Semenov, North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov (branch), Mirny
A.L. Pak, North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov (branch), Mirny
V.S. Shipulin, North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov (branch), Mirny
THE MODELING OF MODE MOTOR STARTING SCOOPTRAMS AT THE MINE FOR THE
EXTRACTION KIMBERLITES
Abstract. This article is devoted to the modeling of mode motor starting scooptrams at the mine for the extraction kimberlites. The description of technology of production operations kimberlites. Describes several scooptrams in electrical performance. The represented characteristics of the drive and the motor machine. Produced modeling mode motor starting scooptrams. Obtained electrical parameters and mechanical characteristics of the engine are built.
Keywords: scooptrams, mine, motor, electric drive, modeling, modes, mechanical characteristics.
В настоящее время Акционерная компания «АЛРОСА» (ОАО) ведет активную разработку месторождений полезных ископаемых подземным способом. Обосновывается это экономической целесообразностью, снижаются затраты на вскрышные работы, требуется меньше специального транспорта. На данный момент на территории Республики Саха (Якутия) действуют три подземных рудника, и один находится на стадии строительства. Качество алмазов добываемых в них существенно улучшается из-
за меньшей кусковатости руды, которая поступает на обогатительную фабрику и проходит меньше этапов дробления, нежели руда, поступающая с карьера. Вопросы механизации погрузки и доставки разрушенной горной массы имеют весьма важное значение как с точки зрения обеспечения высокопроизводительной работы, так и с точки зрения облегчения условий труда шахтеров, так как ручная погрузка горной массы -тяжелый физический труд, применяемый чаще всего в наиболее опасном, незакрепленном пространстве.
Погрузочно-доставочная машина (ПДМ) - машина, служащая для погрузки и транспортирования отделённой горной породы при подземных горных работах. По конструктивному исполнению ПДМ делятся на две группы: ковшового типа, с погрузочно-транспортным ковшом; бункерные, с ковшовым погрузочным рабочим органом и аккумулирующим бункер-кузовом. Широко используются ковшовые ПДМ. Основные преимущества: высокая мощность и производительность, мобильность при автономном приводе, способность преодолевать подъёмы с уклоном до 20° (порожняком), возможность одновременной работы в нескольких забоях. Бункерные ПДМ предназначены для погрузки раздробленной горной массы и доставки её до места разгрузки на расстояние не более 100 м в основном при прохождении горно-подготовительных и нарезных выработок, когда по условиям вентиляции нельзя использовать более мощные дизельные ковшовые ПДМ.
Электрические ПДМ легки в обслуживании и ремонте, а время простоя значительно сокращается благодаря использованию улучшенной системы диагностики и предупреждения неисправностей. Эта электронная система разработана на основе новейших исследований в области эргономики и проектирования пользовательских интерфейсов, включает в себя расширенную диагностическую базу и подготовлена для работы с системой автоматизации Sandvik «AutoMine». Автоматизированная система загрузки и доставки «AutoMine» компании Sandvik - это первая система в мире для подземных горных работ, повышающая безопасность и рентабельность добычи полезных ископаемых.
На рудниках, где имеются проблемы при доставке, или необходимость выхода в открытое очистное пространство, для большей безопасности используют дистанционное управление. Система управляется оператором или операторами, которые могут контролировать и управлять несколькими машинами одновременно. Производственный цикл загрузки - полуавтоматизированный, заполнение ковша выполняется с помощью дистанционного управления. Навигационная система управляет машиной во время перемещения и выгрузки. Пункт дистанционного управления может быть расположен на транспортном горизонте, на поверхности рудника, и в принципе на любом удалении от места производства горных работ. При дистанционном управлении погрузкой горной массы появляется реальная возможность применения низкозатратных систем разработки с самообрушением руды на большинстве мощных месторождений, отрабатываемых в настоящее время с помощью более дорогих методов подземной добычи.
Для электрических погрузочно-доставочных машин, являющихся многодвигательной системой, наиболее перспективным становится использование электропривода с асинхронным короткозамкнутым электродвигателем. Также возможно применение
частотного управления электродвигателем. Под системой частотного управления подразумевается система, обеспечивающая заданный статизм и перегрузочную способность асинхронного электропривода за счёт изменения частоты и напряжения питания двигателя. На рассматриваемой нами погрузочно-доставочной машине используется прямой пуск асинхронного двигателя. Его недостатки мы покажем, произведя моделирование пуска двигателя.
Рассмотрим силовую электрическую схему ПДМ (рис. 1). Силовые схемы служат для детального представления принципа работы установки и определяют полный состав ее элементов и связей между ними. На силовых схемах изображают в виде условных обозначений все элементы, необходимые для осуществления и контроля заданных электрических процессов, все электрические связи между ними и элементы, которыми заканчиваются входные и выходные цепи.
Рисунок 1 - Силовая электрическая схема погрузочно-доставочной машины
Самый мощный электродвигатель ПДМ предназначен для гидросистемы, которая включает в себя систему рулевого управления, систему подъема ковша, систему управления давлением и систему пожаротушения. Так же имеется ряд небольших маломощных двигателей, обеспечивающих вентиляцию и подачу смазки.
Произведем моделирование режимов работы электродвигателя гидросистемы. Целью моделирования является построение характеристик зависимости момента и угловой скорости вращения электродвигателя от времени при пуске, определение перерегулирования, разрегулирования и времени переходного процесса. Также будет
построена механическая характеристика асинхронного двигателя. Расчет электрических обмоточных данных асинхронного электродвигателя приводится в [3, с. 171]. Рассчитанные данные и основные параметры двигателя, необходимые для моделирования приводим в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры асинхронного двигателя
№ Наименование параметра Значение
1 Мощность, Рн 110 кВт
2 Номинальное линейное напряжение, ин 660 В
3 Частота сети, ^ 50 Гц
4 Сопротивление обмотки статора, 0,166 Ом
5 Сопротивление обмотки ротора, Я2 0,028 Ом
6 Индуктивность обмоток статора и ротора, Ц = ¿^ 0,00037 Гн
7 Индукция контура намагничивания, ¿м 0,0228 Гн
8 Момент инерции, J 1,09 кг*м2
9 Номинальное скольжение, эн 0,01
10 Число пар полюсов, 2р 1
После расчета параметров приступаем к моделированию. Для этого собираем математическую модель пуска асинхронного двигателя с помощью программы Ма^аЬ. Модель (рис. 2) представляет собой принципиальную схему, состоящую из источников напряжения, асинхронного двигателя, блока для измерения основных параметров двигателя, осциллографа для измерения тока, момента и скорости и графопостроителя для отображения механической характеристики двигателя.
Рисунок 2 - Модель пуска асинхронного двигателя
Промоделировав, снимаем показатели тока, угловой скорости и момента. Приводим их в виде графиков зависимостей указанных величин от времени моделирования. На первом графике (рис. 3) показано значение тока статора асинхронного двигателя.
Видно, что при запуске двигателя ток имеет пусковое значение равное 1235 А, после выхода скорости на установившееся значение ток понижается до своего номи-
нально значения 105 А. Кратность пускового тока по отношению к номинальному составляет почти 12 кратное значение, что не соответствует паспортным данным, где 1П / 1Н = 7. Такое превышение паспортных данных током будет обуславливаться излишним потреблением электроэнергии при пуске, а также снижение срока службы обмоток двигателя из-за перегрева и разрушения изоляции.
О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Рисунок 3 - Значения тока статора асинхронного двигателя
На следующем графике (рис. 4) представлена зависимость скорости вращения двигателя (об./мин) от времени пуска.
О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 35 4 4.5 5
Рисунок 4 - Скорость вращения ротора асинхронного двигателя
Для определения перерегулирования, разрегулирования и времени пуска двигателя рассмотрим участок пуска с 2,5 до 3,5 секунд более подробно (рис. 5).
Из графика видно, что время пуска двигателя (переходного процесса моделирования) составляет 3,5 секунды, что для такого мощного асинхронного двигателя в целом неплохо. Величина перерегулирования определяется как разница между максимальным значением скорости и её номинальным значением, и в данном случае она составляет 7 об./мин (0,2 %), что удовлетворяет требованиям пПРЕГ < 0,5%. Разрегулирование определяется как разница между первым минимальным значением скорости, следующим за максимальным, и её номинальным значением. В нашем случае эта ве-
личина равна 15 об./мин (0,5 %), что также удовлетворяет требованиям пР
< 0,5%.
1111111
\ / \
11 1 1 1
Пгф
Пр/р
Рисунок 5 - Процесс запуска двигателя и установление скорости
На следующем графике (рис. 6) с помощью графопостроителя была получена механическая характеристика асинхронного двигателя: зависимость между моментом двигателя и его скоростью вращения.
Рисунок 6 - Механическая характеристика асинхронного двигателя
На этом графике вместе с полученной характеристикой при моделировании изображена теоретическая механическая характеристика. Между ними видна небольшая разница, обусловленная отклонением (уменьшением) пускового момента. Так как при моделирование значение пускового тока получилось больше расчетного, то значение пускового момента пропорционально уменьшилось. Это уменьшение пускового момента повлияло на время пуска двигателя: чем больше пусковой момент, тем больше инерция, раскручивающая двигатель и соответственно меньше время требуется
для запуска двигателя.
В результате произведенного моделирования режима пуска асинхронного двигателя погрузочно-доставочной машины было выявлено нецелесообразное использование метода прямого пуска. Пусковой ток асинхронного двигателя мощностью 110 кВт при прямом пуске превышает своё допустимое значение почти в 2 раза, что негативно скажется на потреблении электроэнергии и сроке службы обмоток двигателя. Также при этом уменьшается электромагнитный момент двигателя, тем самым уменьшая время его запуска (выхода скорости двигателя на номинальное значение). Для уменьшения только пусковых токов предлагается использование устройства плавного пуска. Для устранения всех вышеперечисленных недостатков идеально подойдет система частотного регулирования электродвигателем. Одноразовое вложение средств на приобретение такой системы со временем эксплуатации позволит быстро окупить себя и даже получать прибыль на экономии электроэнергии и ремонтах электрооборудования.
Список литературы:
1. Кузьмин Е.В., Хайрутдинов М.М., Зенько Д.К. Основы горного дела. - М. : Изд. АртПринт, 2007. - 470 с.
2. Степка Р. Новые модификации хорошо известной модели ПДМ // Горная промышленность. 2002. - №2. С. 15-16.
3. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MatLab, Sim-PowerSystems и Simulink. - М. : ДМК Пресс ; СПб. : Питер, 2008. - 288 с.
List of references:
1. Kuzmin E.V., Khairutdinov M.M., Zenko D.K. Fundamentals of mining. - M. : ArtPrint, 2007. -
470 p.
2. Stepka R. New modifications are well known model scooptrams / / Mining industry. 2002. - № 2.
P. 15-16
3. Chernykh I.V. Modeling of electrical devices in MatLab, SimPowerSystems and Simulink. - M. : DMK Press, SPb. : Peter, 2008. - 288 p.
