CC BY
69
© В. С. Хилов, А. С. Бешта, В.Т. Заика, 2004
УДК 622.233.6:658.012.011.56.005
В. С. Хилое, А. С. Бешта, В. Т. Заика
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМЫХ ПРИВОДОВ В БУРОВЫХ СТАНКАХ КАРЬЕРОВ УКРАИНЫ
Семинар № 18
Основой горно-металлургическго комплекса Украины являются предприятия по добыче и переработке железных руд, 77 % производственных мощностей которых сконцентрированы в Криворожском бассейне Днепропетровской области. Освоение Криворожского железорудного бассейна производится на протяжении более чем ста лет (начиная с 1881 года). За это время произведено 3,9 млрд. т товарной железной руды (естественно богатой руды и концентрата), или 86 % от всего объема по Украине.
При производстве открытых горных работ бурение взрывных скважин является одной из основных, весьма трудоемких и дорогостоящих операций. К числу основных проблем открытого способа добычи полезных ископаемых относится физическое и моральное старение бурового оборудования [1]. Поэтому модернизация оборудования и создание нового поколения буровых станков, является важной научнотехнической задачей, от успешного решения которой зависит успешное функционирования горного производства страны.
В настоящее время в карьерах Украины работает большое количество горных машин исчерпавших свой нормативный срок службы, так как в последнее десятилетие полностью прекратилось обновления оборудования. Усредненный износ буровых станков достиг 80100 %. Такое состояние техники требует замены устаревших новыми машинами. О масштабности такой замены можно судить исходя из того факта, что на карьерах ГОКов Криворожского бассейна уже сейчас необходимо заменить 100 % буровых станков [2]. В соответствии с программой развития горнорудных предприятий Днепропетровской области до 2010 года, потребность в буровых станках нового поколения достигает значения не менее чем 90 единиц. Приобретение бурой
техники в странах ближайшего зарубежья потребует значительных инвестиций и не обеспечит повышение технико-экономических показателей горного производства, так как машиностроительная и электротехническая промышленности стран СНГ за последнее десятилетие пережили самый тяжелый период в их существовании, что сказалось на разработке и выпуске новой техники.
Практически безальтернативным вариантом решения проблемы поддержания и развития горного производства страны, является создание и внедрение горных машин нового, более высокого технического уровня, производимых украинскими машиностроителями, которые обеспечат как повышение эксплуатационных показателей самих машин, так и возможность комплексного технического перевооружения и реконструкции горного производства. Наличие на территории Украины развитых предприятий электротехнической и машиностроительной промышленности позволяет успешно решить поставленную задачу.
Наряду с совершенствованием механической части буровых станков, необходимо улучшать и приводную систему, которая должна соответствовать достигнутому уровню в электротехнической промышленности. Только в этом случае удастся создать конкурентоспособную машину в целом.
Оставшийся в эксплуатации парк буровых станков оснащен в основном станками СБШ 250 МН завода «Рудгормаш» (г. Воронеж, Россия). На станках применены: привод вращателя по системе тиристорный преобразователь-двигатель постоянного тока, гидравлический серводвигатель с поступательно движущимися поршнями привода подачи, питание которого производится от шестеренчатого гидронасоса постоянной производительности с асинхронным нерегулируемым приводом. В гидросис-
тему включен пропорциональный регулятор расхода масла. Привод хода станка производится от короткозамкнутого нерегулируемого асинхронного двигателя (МТКН511-8, 30 кВт, 11,5 1/с) с релейно-контакторным управлением.
Существенный недостаток такой системы электропривода бурового механизма - это применение двигателей постоянного тока [3]. Двигатели постоянного тока в сравнении с асинхронными двигателями при одинаковых скоростях и мощностях в полтора-два раза более тяжелые и в три раза более дорогие. Момент инерции и отношение его к пусковому моменту, которые определяют быстродействие асинхронного двигателя в два-два с половиной раза меньше, чем у двигателей постоянного тока. Двигатель постоянного тока оснащен коллектором, который снижает надежность и усложняет эксплуатацию.
Сейчас наблюдается внедрение асинхронного частотно-регулируемого электропривода, что обусловлено высокими технико-
экономическими показателями короткозамкнутого асинхронного двигателя и достигнутыми значительными успехами в развитии силовой преобразовательной техники и автоматических средств управления. Главным направлением развития асинхронного регулируемого электропривода является создание частотно-регулируе-мого электропривода на основе инверторных преобразователей частоты с автономным инвертором тока (АИТ), а также с автономным инвертором напряжения и широтноимпульсной модуляцией (АИН-ШИР).
Для повышения эксплуатационной надежности привода вра-
Рис. 1. Функциональная схема тиристорного частотно-токового привода переменного тока вращателя бурового става: 1 - реверсивный тиристорный выпрямитель с автономным инвертором тока; 2 - датчик тока; 3 - датчик напряжения; 4 - асинхронный двигатель; 5 -блок изменения емкостей; 6 - математическая модель; 7 - задатчик потока; 8 -наблюдатель потока; 9 - наблюдатель частоты вращения; 10 - блок выделе ния электродвижущей силы; 11 - регулятор потока; 12 - первый суматор;13 - задатчик скорости; 14 - второй суматор; 15 -регулятор скорости; 16 - блок управления режимами работы привода
щателя в 2000 году при модернизации станка СБШ 250 МН на Центральном горнообогатительном комбинате (г. Кривой Рог, Украина), вместо тиристорного привода постоянного тока установлен тиристорный привод переменного тока с преобразователем частоты на основе инвертора тока с прямой цифровой системой управления (рис. 1). В качестве приводного двигателя был использован специально разработанный асинхронный двигатель типа АМРУ280М4БУ2 с повышенной перегрузочной способностью, производства Ново-
Каховского электромеханического завода (г. Каховка, Украина). Двигатель вращателя мощностью 90 кВт, номинальной частотой вращения 1480 об/мин при ПВ = 100 %. Тиристорный преобразователь частоты выполнен со звеном постоянного тока, содержит регулируемый выпрямитель напряжения и автономный инвертор тока [4]. Сглаживающий дроссель включен в цепь постоянного тока. Заданием на ток статора является выходной сигнал функционального преобразователя, в котором реализуется нелинейная зависимость тока статора от частоты скольжения. В отличие от приводной системы на постоянном токе используется контур скорости с регулятором скорости и датчиком напряжения, причем обратная связь по скорости замыкается от наблюдателя [5]. В приводной системе реализован частотно-токовый принцип управления. Опыт эксплуатации этой приводной системы показал ее высокую надежность, не смотря на сложность преобразователя частоты и системы управления.
Для нормальной работы автономного инвертора тока на асинхронный двигатель емкость конденсаторов, подключенных параллельно нагрузке, необходимо изменять обратно пропорционально квадрату частоты инвертируемого тока, что привело к необходимости установки дополнительных конденсаторных батарей для осуществления режима разборки буровой штанги.
В это же время проводились промышленные испытания на Ингулецком ГОКе станка СБШ-250/270-32 производства АО «НКМЗ» (г. Краматорск, Украина) по совместному с ОАО «КриворожНИПИРудмаш» проекту. Станок был оборудован приводом вращателя по системе тиристорный преобразователь- двигатель постоянного тока. Для спускоподъемных операций става был применен тиристорный привод постоянного тока, вращавший гидронасос переменной производительности, питавший гидродвигатель, который через понижающий редуктор создавал натяжение системы полиспаст. Такое конструктивное решение позволило отказаться от гидроцилиндров подачи. Для операции бурения использовался асинхронный нерегулируемый двигатель с гидронасосом постоянной производительности и пропорциональным регулятором расхода масла. Для привода хода станка был применен гидравлический двигатель, который при движении станка получал питание от гидронасоса с переменной производительностью. [6, 7, 8].
С учетом полученных результатов работы бурового оборудования в условиях карьера, был разработан и создан буровой станок нового поколения СБСШ-250Н, который смонтирован и введен в эксплуатацию на ЦГОКе в 2003 году [9]. Станок оборудован частотноуправляемыми транзисторными приводами переменного тока. Электропривод выполнен на основе двухзвенного преобразователя частоты с транзисторным (IGBT) автономным инвертором апряжения с широтно-импульным управлением. Частотно регулируемые короткозамкнутые асинхронные двигатели установлены в приводе вращения става (АМРУ280М4БУ2, 1480 об/мин, 90 кВт), в приводе вращения гидронасоса переменной производительности для спускоподъемных операций (4АМ225М4БУ2, 1470 об/мин, 55кВт) и в приводе хода станка (4АМУ250М8БУ2 740 об/мин, 45 кВт). Для создания натяжения полиспаста в период операции бурения, применен нерегулируемый
привод (двигатель маслонасоса АМУ132М4У2 1500 об/мин, 7,5 кВт).
Преобразователи частоты разработаны фирмой «Triol Corporation» (г. Харьков, Украина), в которых управляемые вентили силового канала имеют модульное исполнение с беспо-тенциальными (изолированными) корпусами. В схеме автономного инвертора напряжения использованы интеллектуальные силовые модули, где наряду с силовыми транзисторными ключами интегрированы датчики тока, напряжения, температуры, устройства управления (драйвера) и защиты. Применяется специально разработанный для управления электродвигателями сигнальный процессор (DSP), который позволяет оптимизировать алгоритм широтноимпульсного управления транзисторного инвертора напряжения, а также осуществлять прямое цифровое векторное управление асинхронным электроприводом. Блоки электроники конструктивно выполнены по технологиям, применяемым в авиационной промышленности, и рассчитаны на высокий уровень вибраций и ударных нагрузок.
Широтно-импульсное управление силовыми ключами (транзисторами) автономного трехфазного инвертора напряжения обеспечивает регулирование и формирование квазиси-нусоидальной кривой выходного напряжения при неизменном значении входного напряжения. При этом обеспечивается заданное соотношение напряжение-частота во всем диапазоне регулирования.
Использованы два комплекта транзисторных преобразователей частоты для четырех двигателей. В зависимости от выполняемых технологических операций к преобразователям подключаются или двигатели хода станка или двигатели вращателя и гидронасоса переменной производительности. Причем, при подключении силового преобразователя к асинхронному двигателю система управления автоматически определяет параметры объекта управления и производит настройку системы регулирования на эти параметры. Такие технические решения по системе привода бурового станка позволят обеспечить:
- возможность решения сложных технологических задач за счет регулирования параметров бурения, в том числе и в замкнутых системах автоматического регулирования;
- существенное энерго- и ресурсосбережение благодаря оптимизации режимов работы оборудования с учетом свойств и харак-
теристик буримых пород, высоких энергетических показателей;
- эффективное использование приводных электродвигателей за счет оптимизации режимов работы бурового станка;
- увеличение ресурса работы электротехнического и механического оборудования.
Функциональная схема системы векторного управления показана на рис. 2 [10]. Система имеет два канала управления: модулем вектора потокосцепления ротора и угловой скоростью ротора. Двухканальная система управления дает возможность осуществить независимое регулирование модуля вектора потокосцепления ротора и скорости ротора при сохранении прямой пропорциональности между моментом, развиваемым двигателем, и составляющей намагничивающего тока статора, находящегося в квадратуре с волной потокосцепления ротора.
Измерение текущих значений переменных производится во вращающейся системе координат с помощью датчиков напряжения (ДН) и тока (ДТ) статора двигателя. Контролируемые переменные системы регулирования вычисляется наблюдателем (Н).
Датчики тока (ДТ), и напряжения (ДН) измеряют мгновенное значения токов и напряжений в двух фазах статора, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует их в цифровую систему переменных сигналов. Для пересчета переменных из неподвижной системы координат в систему координат, связанную с потокосцеплением ротора, используется преобразователь фаз (ПФ1) и координатный преобразователь (КП2). Преобразователь фаз осуществляет пересчет трехфазной системы сигналов в двухфазную. Координатный преобразователь КП2 производит ортогональное преобразование - поворот вектора намагничивающей силы статора на угол, равный мгновенной фазе вектора потокосцепления ротора. В системе управления применен блок задания потокосцепления (ЗИТ), регулятор потока. Преобразование составляющих напряжения стато-
Рис. 2. Функциональная схема транзисторного привода переменного тока с векторным управлением для вращателя, гидронасоса переменной производительности и хода бурового станка
ра, представленных в осях, жестко связанных с вектором потокосцепления ротора, в составляющие неподвижных осей, выполняются в координатном преобразователе КП1. Далее напряжение преобразуется с помощью преобразователя фаз ПФ2 в трехфазную систему переменных напряжений, используемых для управления амплитудой и частотой автономного инвертора напряжения АПН с широтноимпульсной модуляцией.
Сопоставление технических показателей внедренных приводов переменного тока позволяет сделать выводы:
-наименьшие максимальные значения статорного тока и электромагнитного момента, размах пульсаций тока, момента и скорости присущи питанию двигателя от АИН-ШИМ, а наибольшие - от АИТ;
-при равных максимальных (пиковых) значениях статорного тока наибольшая перегрузочная способность по моменту присуща при питании двигателя от АИН-ШИМ, а наименьшая - от АИТ;
-для асинхронного двигателя отношение размаха пульсаций скорости к ее среднему значению составляет менее 10%: при питании от АИТ - в диапазоне скоростей 1:20, или при питании от АИН-ШИМ - в диапазоне скоростей свыше 1:100 от номинального значения скорости;
-управление электроприводом осуществляется во вращающейся системе координат, а именно векторов статорного тока и напряжения; система координат связана с вектором потокосцепления ротора;
-параметры управления двигателя определяются при помощи наблюдателя;
-основным внешним контуром рассмотрен-
ных электроприводов, является контур контролирования частоты вращения двигателя;
-рассмотренные структурные схемы векторного регулирования позволяют осуществить двухзонное управления асинхронным двигателем, а именно при частотах статора не превышающих номинальное значение - при постоянном потокосцеплении ротора, а при частотах статора выше номинального значения - при постоянной ЭДС ротора двигателя;
-управление производится без установки датчиков на двигателе.
Внедренные цифровые системы управления двигателями переменного тока на основе управляющих бортовой микро-ЭВМ позволят осуществить комплексную автоматизацию буровым станком, которая должна обеспечить бурение в автоматическом режиме по заранее заданной программе, автоматизацию вспомогательных операций, возможность применения форсированного или облегченного режима. Кро-
1. Бызов В.Ф., Паранъко И.С., Евтехов В.Д. Потенциал недр Украины//Горный журнал. - 2000. - №6, с. 138-140.
2. Современное состояние и перспективы развития предприятий по добыче и переработке железорудного и флюсового сырья в Украине/В.А. Колосов, В.П. Воловик, Н.И. Дядечкин//Горный журнал.-2000, - №6, с.162-164.
3. Жуковский А.А., Нанкин Ю.А., Сушинский В.А. Привод и системы управления буровых станков для карьеров. - М.: Недра, 1990. - 223 с.: ил.
4. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. - М.: Энергоиздат, 1982. - 192 с., ил.
5. Деклараційний патент України на винахід 42249 А «Електропривод бурового механізму» / OI. Дмітріен-ко, В.А. Оселедько, В.М. Кириченко, I.I. Епштейн, М.В. Найдьонов, Я.С. Балтер, А.О. Семикін, В.М. Ропало, B.C. Хілов.Опуб. Б.І.П.В. 15.10.2001 бюл.№9.
ме того, комплексная система автоматического управления должна включать:
- систему корректировки параметров ре-
жима, систему автоматического забуривания скважины по особой программе;
- устройства, позволяющие формировать
программу корректировки в зависимости от глубины скважины;
- систему автоматической защиты от
вибраций, перегрузок по крутящему моменту и мощности.
В дальнейшем необходимо решение задач связанных с адаптацией процесса в зависимости от условий бурения, что возможно на базе бортовой управляющей машины и автоматизированной системы управления станком. При этом бортовая микро-ЭВМ получает непосредственно информацию от датчиков параметров бурения. По информации от датчиков управляющая машина будет рассчитывать параметры режима бурения и производить уставки на привода вращения и подачи.
----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Калашников О.Ю., Джержинский В.А. Формирование технической политики АО «НКМЗ» в области производства горного оборудования //Збірник наукових трудів Національної гірничої академії України. -2002. - №13, том 2. - С. 146-152.
7. Кихтенко В.Д., Мучнистый Ю.А. Буровые станки среднего типа// Тези доповіді на Міжнародній науково-технічної конференції «Перспективи розвитку гірнорудної, вугільнодобувної й збагачувальної галузей промисловості.» - Україна, Краматорськ, 2001. - С.35.
8. Калашников О.Ю., Дзержинский В.А. Новая техника украинских машиностроителей для открытых разрабо-ток//Горный журнал. - 2000. - №6, с. 152-153.
9. Лавренко Ю.В., Михалев Ю.Н., Мучнистый Ю.А. Современная техника для буровзрывных работ//Горные машины и автоматика.- 2003. - №8. - С. 14-16.
10. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями частоты/О.В. Слежановский, Л.Х. Дацковский, И.С. Кузнецов и др. - М.: Энергоатомиздат, 1983.-256 с.
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Хилое B.C., Бешта A.C., Заика В.Т. — Национальный горный университет, Украина.
УДК 622.673-83
С.М. Довгань, A.A. Самойленко
© С.М. Довгань, А.А. Самойленко, 2004
