Применение системы электропривода с преобразователем частоты и автономным инвертором напряжения на проходческом комбайне Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ И АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПРОХОДЧЕСКОМ КОМБАЙНЕ

Семёнов Александр Сергеевич

старший преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация горного производства», Политехнический институт (филиал) ФГАОУ ВПО «СевероВосточный федеральный университет имени М.К. Аммосова», г. Мирный,

Республика Саха (Якутия), Россия E-mail: sash-alex@yandex. ru

USE OF ELECTRIC DRIVE WITH FREQUENCY CONVERTER AND

AUTONOMOUS VOLTAGE INVENTOR ON HEADING MACHINES

Alexander Semenov

sr. lecturer of pulpit “Electrification and automatization mining industry ” Polytechnic institute (branch) of North-Eastern Federal University named after

M.K. Ammosov, Mirny, Sakha, Russia

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена вопросам актуальности применения на проходческих комбайнах в качестве электропривода рабочего органа систем асинхронный двигатель — преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения, как альтернатива прямому пуску асинхронного двигателя, а также применению устройств плавного пуска двигателя.

ABSTRACT

This article is devoted to the relevance of the application to the heading machines as a working body electric drive induction motor systems — the frequency converter with an autonomous voltage inverter, as an alternative to direct start induction motor, as well as the use of soft starting.

Ключевые слова: проходческий комбайн, рабочий орган, электропривод, асинхронный двигатель, преобразователь частоты, автономный инвертор напряжения, механическая и электромеханическая характеристики.

Keywords: heading machines, working body, electric drive, induction motor, frequency converter, autonomous inverter voltage, mechanical and electrical characteristics.

В современном промышленном производстве, на транспорте, в строительстве, в коммунальном хозяйстве и быту применяются самые разнообразные технологические процессы, для реализации которые человеком созданы тысячи различных машин и механизмов. С помощью этих рабочих машин и механизмов осуществляется добыча полезных ископаемых, обрабатываются различные материалы и изделия, перемещаются люди, предметы труда, жидкости, газ и реализуются многие другие процессы необходимые для жизнеобеспечения человека. Так, добыча полезных ископаемых ведется с помощью экскаваторов, буровых установок и проходческих комбайнов, детали и материалы обрабатываются на разнообразных станках люди и изделия перемещаются транспортными средствами, лифтами и конвейерами, жидкости и газы транспортируются с помощью насосов и вентиляторов.

Рабочая машина или производственный механизм состоят из множества взаимосвязанных деталей и узлов, один из которых непосредственно выполняющий заданный технологический процесс называется электроприводом. Во многих технологических процессах требуется управлять движением электропривода — регулировать скорость движения и её направление, точно осуществлять остановку в заданной позиции, ограничивать ускорение движения. Механическая энергия вырабатывается приводом, который преобразовывает другие виды энергии. В зависимости от вида используемой первичной энергии различают гидравлические, пневматические, тепловой и электрические приводы.

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, преобразующую электрическую энергию в механическую и состоящую из электродвигателя, передаточного устройства и исполнительного органа. Возможности использования современных электроприводов продолжают постоянно расширяться за счет достижений в смежных областях науки и техники, электромашиностроении и электроаппаратостроении, электронике и

вычислительной технике, автоматике и механике. В настоящее время в качестве электроприводов для рабочих органов проходческих комбайнов применяются взрывозащищенные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Проведённые исследования показали, что при установке на рабочие органы горных механизмов одной из современных систем управления ПЧ-АД АИН (преобразователь частоты — асинхронный двигатель с автономным инвертором напряжения), происходит значительное снижение пусковых характеристик и уменьшение времени запуска двигателя, что позволит существенно повысить срок службы оборудования и сократить расход электроэнергии на бесполезную работу.

В связи с вышеизложенным, для доказательств выдвинутой теории, произведем расчет статических характеристик электропривода рабочего органа проходческого комбайна, который приводится в движение с помощью асинхронного двигателя с преобразователем частоты и автономным инвертором напряжения.

Для расчета статических характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором для системы ПЧ-АД АИН необходимо определить следующие параметры: тх — активное сопротивление обмотки фазы статора; г2 — приведенное активное сопротивление обмотки фазы ротора; х1 — индуктивное сопротивление обмотки фазы статора; х'2 — приведенное индуктивное сопротивление обмотки фазы ротора; х0 — индуктивное сопротивление намагничивающей цепи. Для расчета принят асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа MAK355M6 со следующими паспортными данными:

Таблица 1.

Исходные данные двигателя рабочего органа комбайна_______________

Наименование параметра Значение

Высота оси вращения вала, h 355 мм

Мощность, Рн 200 кВт

Масса, m 1280 кг

Синхронная частота вращения, п 1000 об/мин

Номинальная частота вращения, пн 978 об/мин

Номинальное скольжение, 2,2 %

КПД, п 0,945

Коэффициент мощности, Cosф 0,9

Номинальное напряжение, V н 1140 В

Отношение пускового тока к номинальному, 1 п/ /*н 7

Отношение пускового момента к номинальному, М^ 1,6

Отношение максимального момента к номинальному, Мм^. 2

Отношение минимального момента к номинальному, 0,9

Момент инерции, J 8,8 кг*м2

Число пар полюсов, 2 р 3

Соединение обмоток У/л

Охлаждение двигателя ІС411

Исполнение двигателя №54

Категория изоляции F

Режим работы двигателя 81-100 %

Для расчета вышеперечисленных параметров для построения

механической и электромеханической характеристик воспользуемся

методиками, изложенными в [1] и [5].

Для получения семейства характеристик задаемся относительной частотой от 0,2 до 1,4 от номинальной. Для этих относительных частот задаемся параметром абсолютного скольжения от 0 до 1,0, включая величины

номинального и критических скольжений. Расчет коэффициентов сводим в

таблицу.

Таблица 2.

Сводная таблица расчета коэффициентов

Р 0 0,01 0,02 0,022 0,088 0,2 0,4 0,6 0,8 1

В(Р) 0,01613 0,01618 0,01635 0,01639 0,02031 0,03774 0,10257 0,21061 0,36187 0,55635

С(Р) 0,00006 0,00017 0,00050 0,00059 0,00851 0,04373 0,17472 0,39305 0,69871 1,09170

А(у=1,4) 0,03451 0,03539 0,03716 0,03762 0,07274 0,22093 0,76283 1,66022 2,91309 4,52145

А(У=1,2) 0,02536 0,02605 0,02741 0,02776 0,05394 0,16355 0,56326 1,22449 2,14724 3,33150

А(у=1,0) 0,01761 0,01815 0,01914 0,01939 0,03795 0,11481 0,39402 0,85523 1,49845 2,32367

А(у=0,8) 0,01127 0,01166 0,01235 0,01252 0,02477 0,07470 0,25509 0,55243 0,96672 1,49796

А(у=0,6) 0,00634 0,00661 0,00704 0,00715 0,01440 0,04324 0,14648 0,31609 0,55205 0,85436

А(у=0,4) 0,00282 0,00298 0,00322 0,00327 0,00683 0,02040 0,06820 0,14621 0,25444 0,39287

А(у=0,2) 0,00071 0,00078 0,00087 0,00089 0,00208 0,00621 0,02024 0,04280 0,07389 0,11350

Используя данные таблицы 2, рассчитываем параметры электромеханической и механической характеристик и сводим результаты в таблицу.

Таблица 3.

Сводная таблица расчета параметров характеристик

р 0 0,01 0,02 0,022 0.088 0,2 0,4 0,6 0.8 1 У 1,4

\=1,4

са.с1 146,538 145,491 144,445 144,235 137,327 125,604 104,670 83,736 62,802 41,868 20,934 0,000

1ЬА 32,553 53,987 90,283 97,663 267,166 347,416 373,739 379,970 382,454 383,726 384,479 384,970

М. Нм 0.000 627,426 1195,180 1298,620 2686,235 2010,051 1164,292 802,448 609,771 491,081 410,850 353,060

у=1,2

со* с 1 125,604 124,557 123,511 123,301 116,393 104,670 83,736 62,802 41,868 20,934 0,000

1ЬА 35,161 58,252 97,325 105,261 287,229 373,832 402,674 409,620 412,423 413,872 414,738

М. Нм 0,000 730,486 1388,872 1508,550 3104,828 2327,350 1351,552 932,565 709,078 571,273 478,062

у=1,0

ео? с 1 104,670 103,623 102,577 102,367 95,459 83,736 62,802 41,868 20,934 0,000

1ЬА 38,517 63,720 106,319 114,962 312,592 407,310 439,503 447,432 450,684 452,385

М. Нм 0,000 874,051 1657,454 1799,403 3677,376 2762,856 1610,088 1112,684 846,742 682,540

со о I!

со, с 1 83,736 82,689 81,643 81,433 74,525 62,802 41,868 20,934 0,000

1ЬА 39,207 65,735 112,081 121,821 416,282 692,133 839,240 878,408 893,474

М. Нм 0,000 929,987 1841,532 2020,076 6520,122 7976,045 5869,449 4287,546 3327,134

у=0,6

со, с 1 62,802 61,755 60,709 60,499 53,591 41,868 20,934 0,000

1ЬА 39,207 65,735 112,081 121,821 416,282 692,133 839,240 878,408

М. Нм 0,000 929,987 1841,532 2020,076 6520,122 7976,045 5869,449 4287,546

ІІ О

со, с 1 41,865 40,821 39,775 39,565 32,657 20,934 0,000

1ЬА 39,207 65,735 112,081 121,821 416,282 692,133 839,240

М, Нм 0,000 929,987 1841,532 2020,076 6520,122 7976,045 5869,449

со, с 1 20,934 19,887 18,841 18,631 11,723 0,000

1ЬА 39,207 65,735 112,081 121,821 416,282 692,133

М, Нм 0,000 929,987 1841,532 2020,076 6520,122 7976,045

Графический вид электромеханической и механической характеристик (естественных и искусственных) представлен на рисунках ниже.

Рисунок 1. Электромеханическая характеристика двигателя рабочего органа проходческого комбайна с системой регулирования ПЧ-АД с АИН

160 V/, с-1

0 Мн 1000 2000 3000 Мы ах 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Рисунок 2. Механическая характеристика двигателя рабочего органа проходческого комбайна с системой регулирования ПЧ-АД с АИН

По построенным естественным механическим и электромеханическим

характеристикам двигателя рабочего органа комбайна можно сделать следующие выводы: при использовании системы регулирования ПЧ-АД с АИН пусковой ток снизился до 455 А (при прямом пуске 826 А), а максимальный момент понизился до 3720 Н*м (при прямом пуске 3908 Н*м). Эти параметры говорят о преимуществе использования системы ПЧ-АД с АИН перед прямым пуском асинхронного двигателя, так как понижение пусковых токов поможет увеличить срок службы оборудования и уменьшить количество потребляемой электроэнергии.

Список литературы:

1. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для вузов. — М.: Энергия, 1980. — 360 с., ил.

2. Семёнов А.С. Разработка системы мониторинга показателей качества электроэнергии горных предприятий / Технические науки — от теории к практике // Материалы XI международной заочной научно-практической конференции. (25 июня 2012 г.); [под ред. Я.А. Полонского]. Новосибирск: Изд. «Сибирская ассоциация консультантов», 2012. — С. 66—71.

3. Семёнов А.С., Пак А.Л., Шипулин В.С. Моделирование режима пуска электродвигателя погрузочно-доставочных машин применительно к рудникам по добыче алмазосодержащих пород // Приволжский научный вестник. 2012. № 11 (15). С. 17—23.

4. Семёнов А.С., Шипулин В.С. Моделирование режимов работы системы

электроснабжения добычного участка подземного рудника // Материалы V Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2013» [Электронный ресурс] — Режим доступа. — ШЬ: http://www.scienceforum.ru/2013/210/2631 (дата

обращения: 12.02.2013).

5. Семёнов А.С., Шипулин В.С. Электропривод — многофункциональное, высокопроизводительное, энергоэффективное устройство / Наука

XXI века: новый подход // Материалы II международной научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 28 сентября 2012 года, г. Санкт-Петербург. — Петрозаводск: ПетроПресс, 2012. — 144 с. — В надзаг.: Науч.-изд. центр «Открытие». — С. 63—65.

6. Слежановский О.В., Дацковский Л.Х., Кузнецов И.С., Лебедев Е.Д., Тарасенко Л.М. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями // О.В. Слежановский, Л.Х. Дацковский, И.С. Кузнецов и др. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 256 с., ил.