Лекция 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ.

Электроприводом называется электромеханическая си­стема, состоящая из электродвигательного, преобразовательною, передаточного и управляющего устройств и предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей ма­шины и управления этим движением. В отдельных случаях в этой системе могут отсутствовать преобразовательные и передаточные устройства.

Основная функция электропривода осуще­ствляется с помощью различных электродвигателей, отличающихся принципом действия, исполнением, родом тока и т. д.

К электроприводу горных машин предъявляются специфиче­ские требования, которые характеризуются наличием в ряде случаев взрывоопасной среды, токопроводящей пыли, влаги, ши­роким применением нестационарных горных машин со своеоб­разными режимами их работы.

В настоящее время для подземных установок шахт и рудни­ков применяется в основном нерегулируемый электропривод на основе асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ро­тором. Наряду с достоинствами (простота конструкции, относи­тельно малые габариты, отсутствие искрящих частей в двига­теле, простота обслуживания, надежность) нерегулируемый электропривод обладает и недостатками, к числу которых отно­сятся большие пусковые токи, квадратичная зависимость разви­ваемого электродвигателем момента от величины напряжения на его зажимах, невозможность устранения в переходных ре­жимах механических воздействий, вызывающих быстрый износ механической части исполнительных механизмов, и др. Эти не­достатки частично устраняются путем применения асинхронных электродвигателей специальных исполнений, турбомуфт, индук­ционных муфт, многоскоростных электродвигателей и т. п. На­чаты работы по созданию и внедрению регулируемых электро­приводов.

Все это предъявляет при эксплуатации электропривода гор­ных машин и установок ряд требований, отличающихся от тре­бований к электроприводам установок других отраслей про­мышленности. Однако механические и электрические свойства электроприводов независимо от области их применения подчи­нены общей теории электропривода, основные положения кото­рой рассматриваются в настоящем курсе.

Специфика условий подземных выработок шахт и рудников, особенно опасных по газу или пыли, обусловила ряд специаль­ных требований к электроснабжению предприятий, к исполнению рудничного электрооборудования и потребовала решения мно­гих проблем, связанных с безопасным применением электро­энергии в шахтах и рудниках, с защитой персонала от пораже­ния электрическим током и т. п. К настоящему времени разра­ботаны, созданы и внедрены в шахты и рудники разнообразные виды рудничного электрооборудования и научные методы безо­пасного применения электроэнергии в подземных выработках шахт и рудников.

Основные направления технического прогресса в горной про­мышленности — совершенствование в широких масштабах тех­ники и технологии и обеспечение на этой основе темпов роста добычи полезных ископаемых с улучшением их качества; даль­нейшее повышение эффективности работы отраслей; разработка и внедрение 'новых средств обеспечения безопасных условий труда; создание полностью механизированных и автоматизиро­ванных шахт и рудников с автоматическим управлением всеми производственными процессами.

На рис. 1, а показана функциональная схема электропривода простейшего типа. Исполнительный орган ИО рабочей машины (на­пример, барабан лебедки или режущий орган комбайна и т. п.) при­водится в движение электродвигателем М через передаточное уст­ройство ПУ (редуктор, муфту и т. п.). Управление электродвигате­лем — его пуск, остановка, изменение частоты вращения, реверси­рование и т. д. — осуществляется с помощью аппаратуры управле­ния АУ (контроллера, контакторов, реле). Управляющий сигнал u_y оператор подает в систему управления с помощью задающего устройства ЗУ (кнопки, командоконтроллера и т. п.).

У правляющий сигнал проходит лишь в одном (прямом) направ­лении — от ЗУ к электродвигателю. Сигналы обратного направле­ния в простейших системах электропривода отсутствуют. Такие системы называются разомкнутыми. В более ответственных случа­ях, например в приводах экскаваторов, буровых станков, мощных подъемных машин и т. п., используют сложные системы электро­привода, включающие преобразовательные устройства, выполнен­ные в основном на тиристорах. Система автоматического управле­ния в этом случае выполнена на бесконтактных (в том числе ло­гических) элементах и содержит различные регуляторы, а в более современных системах электропривода — управляющие вычисли­тельные машины. Такие сложные системы электропривода обяза­тельно содержат отрицательные обратные связи по тем или иным физическим параметрам — угловой скорости, току и т. п.

На рис. 1,6 показана функциональная схема автоматизирован­ного электропривода с обратными связями. Электродвигатель М получает питание от регулируемого тиристорного преобразователя Пр. Оператор с помощью задающего устройства ЗУ устанавливает (задает) требуемый режим работы установки (скорость, направле­ние движения, торможение и т. п.). Система содержит один или не­сколько регуляторов Р. управляющую вычислительную машину УВМ и т. п. Система в данном случае замкнутая, так как имеет обратные связи. Сигнал, пропорциональный регулируемой вели­чине, например угловой скорости двигателя, передается с выхода системы (с датчика скорости ДС) на ее вход, т. е. в обратном на­правлении. Этот сигнал называется сигналом обратной связи по угловой скорости двигателя u_о.с. Могут быть использованы обрат­ные связи и по другим физическим параметрам: например, по току двигателя (u_о.т. сигнал от датчика тока ДТ) и т. п.

Различают положительные и отрицательные, жесткие и гибкие обратные связи. Обратная связь считается положительной, если сигнал имеет одинаковый знак с основным управляющим (задаю­щим) сигналом и_у, увеличивая общий результирующий сигнал уп­равления u_{y Σ} . Положительные обратные связи используются срав­нительно редко. Сигнал отрицательной обратной связи направлен встречно задающему сигналу, уменьшая результирующий сигнал управления u_{у Σ .}= u_у - u_о.с. — u_о.т.. Отрицательная обратная связь весьма широко применяется в автоматизированном электроприво­де, поскольку с ее помощью легко осуществить стабилизацию основных технических параметров процесса—скорости, ускорения, замедления, тока и т. п. Если, например, скорость по какой-либо причине чрезмерно снизится, сигнал отрицательной обратной свя­зи u_о.с. уменьшится, суммарный управляющий сигнал u_{у Σ} возрас­тет и скорость возрастет до исходной величины.

Типы оборудования используемые в электроприводе:

1. электродвигатели: постоянного тока независимого, последовательного и смешанного возбуждения, асинхронных, синхронных, вентильных, шаговых линейных постоянного и переменного тока.

2. механические передаточные устройства: цилиндрические, червячные планетарные редуктора, передачи винт-гайка, цепные, ременные, гидро- и электромагнитные муфты.

3. силовые преобразователи: управляемые выпрямители, инверторы тока и напряжения, регуляторы частоты и напряжения, импульсные регуляторы напряжения.

4. блоки управления: кнопки управления, командо-аппараты, реле, логические элементы, регуляторы, усилители, микропроцессоры, управляющие электронные машины.

Электропривод можно классифицировать по различным признакам:

• назначению—главный и вспомогательный;

• характеру изменения параметров — регулируемый и нерегули­руемый;

• направлению вращения—реверсивный и нереверсивный;

• роду тока, потребляемого двигателем,—постоянного и перемен­ного тока;

• отношению числа электродвигателей и исполнительных органов рабочих машин—групповой, обеспечивающий движение исполни­тельных органов нескольких рабочих машин или нескольких ис­полнительных органов одной рабочей машины (однодвигательные комбайны, экскаваторы, буровые станки и т. п.); индивидуальный, при котором происходит движение одного исполнительного органа рабочей машины; взаимосвязанный, представляющий собой два или несколько электрически или механически связанных между собой электроприводов, при работе ко­торых поддерживается заданное соотношение их скоростей, на­грузок, положения исполнитель­ных органов рабочих машин. Вза­имосвязанный электропривод ча­ще всего выполняется как много­двигательный, электродвигате­ли которого работают на один вал (приводы мощных экскаваторов, подъемных машин, конвейеров и т. п.).

Положительное качество инди­видуального электропривода — максимальное соответствие ха­рактеристик привода и производственного механизма при полной загрузке электродвигателя и простой кинематической схеме. Мно­годвигательный электропривод обладает высокой надежностью, более рациональной конструкцией всей машины и высокими дина­мическими свойствами системы.

Условия эксплуатации электропривода рудничных машин ха­рактеризуются следующими специфическими особенностями: час­тым передвижением машин, ограниченностью пространства; под­верженностью ударам от падающих стоек, кусков угля, руды или породы, воздействию подземных агрессивных вод и атмосферных осадков (на поверхности и на открытых горных работах); сильной запыленностью окружающей атмосферы; наличием взрывоопасных газов и смесей; частыми пусками, в том числе под нагрузкой, при заштыбовке или заклинивании рабочего органа; перегрузками; ударным приложением нагрузки. Ограниченное условиями эксплу­атации сечение питающих кабелей приводит к значительным поте­рям напряжения, особенно при пуске двигателей.

Все это предъявляет при эксплуатации электропривода горных машин и установок ряд требований, отличающихся от требований к электроустановкам в других отраслях промышленности:

1. Малые габаритные размеры при значительных удельных мощностях;

2. Пыленепроницаемость;

3. Защищенность от воздействия внешней среды (капежа, брызг и т.д.);

4. Прочность и антикоррозийность корпусов;

5. Наличие местного освещения;

6. Наличие удобных устройств для быстрого, надежного присоединения токоведущих жил и кабелей, заземляющих устройств;

7. Применение масло- и влагостойкой изоляции;

8. Наличие защит от токов короткого замыкания, токов утечек, потери управления;

9. Применение в цепях управления напряжения не более 40В;

10. Наличие блокировок от нечаянного включения электрооборудования при открытых крышках и соприкосновения с токоведущими элементами;

11. Взрывобезопасность электрооборудования (в определенных рудничных условиях);

12. Ограничение температуры нагрева наружных частей оборудования до 473°К и др.

Однако механические и электрические свойства электропривода независимо от области его применения подчиняются общей теории электропривода.

Для главных приводов экс­каваторов, буровых станков, подъемных машин, электровозов и дру­гих машин и механизмов предъявляется требование широкого и плавного регулирования скорости. На горных предприятиях исполь­зуют электропривод постоянного и переменного тока.

Лекция 2. УРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЄЛЕКТРОПРИВОДА.

Рис.2. Механические характеристики электропривода

Общие параметры электропривода—угловая скорость, нагрузка, диапазон и плавность регулирования, жесткость механической характеристики, электромеханическая постоянная времени.

Н агрузка электропривода — это электромагнитный момент и сила, развиваемые двигателем, а также ток главной цепи двигателя.

Механическая характеристика электропривода (рис. 2) пред­ставляет собой зависимость угловой скорости двигателя  от элек­тромагнитного момента М, т. е. ω=f(M).

На рисунке ω₀, ω_ном — угловая скорость соответственно холос­того хода и номинальная; М_ном и М_к—моменты соответственно номинальный и критический (короткого замыкания).

Жесткость механической характеристики электропривода — это отношение разности электромагнитных моментов двигателя к со­ответствующей разности угловых скоростей

Β = (М – М_ном)/( ω_max – ω_min),

где: ω_max, ω_min — угловая скорость соответственно максимальная и минимальная, соответствующая моментам М. и М_ном; чем жестче механическая характеристика при изменениях момента на валу, тем стабильнее скорость. Для многих горных машин (экскаваторов, комбайнов, станков вращательного бурения и др.) оптимальна экс­каваторная механическая характеристика электропривода с двумя характерными участками: 1) ω₀ – а – с большой жесткостью при значениях электромагнитного момента не более допустимой вели­чины и 2) а—б—крутопадающий при чрезмерно большом значе­нии момента. Экскаваторная механическая характеристика обес­печивает, с одной стороны, высокое значение скорости (участок ω₀ — а) и, следовательно, высокую производительность горной машины, а с другой стороны—защиту двигателя и механизма от поломок при недопустимых перегрузках.

Регулируемые электроприводы характеризуются диапазоном регулирования, определяемым как отношение возможных пределов установившегося значения угловой скорости D = ω_max/ω_min при но­минальном моменте нагрузки Мном Диапазон регулирования запи­сывают обычно в виде отношения, например, 4 : 1, 20 : 1 и т. п. Важ­ным параметром является также плавность регулирования, опре­деляющаяся числом дискретных значений скорости в заданном диапазоне регулирования. Чем более выражена плавность регули­рования, тем совершеннее электропривод.

Условия эксплуатации электропривода рудничных машин ха­рактеризуются следующими специфическими особенностями: час­тым передвижением машин, ограниченностью пространства; под­верженностью ударам от падающих стоек, кусков угля, руды или породы, воздействию подземных агрессивных вод и атмосферных осадков (на поверхности и на открытых горных работах); сильной запыленностью окружающей атмосферы; наличием взрывоопасных газов и смесей; частыми пусками, в том числе под нагрузкой, при заштыбовке или заклинивании рабочего органа; перегрузками; ударным приложением нагрузки. Ограниченное условиями эксплу­атации сечение питающих кабелей приводит к значительным поте­рям напряжения, особенно при пуске двигателей. Поэтому к элек­троприводу рудничных машин предъявляют ряд серьезных требо­ваний: надежности, прочности конструкции, нечувствительности к вибрации и ударам, минимальных габаритов и массы, простоты обслуживания, большого пускового момента, большой перегрузоч­ной способности двигателей, минимальной чувствительности к ко­лебаниям напряжения питающей сети. Для главных приводов экс­каваторов, буровых станков, подъемных машин, электровозов и дру­гих машин и механизмов предъявляется требование широкого и плавного регулирования скорости. На горных предприятиях исполь­зуют электропривод постоянного и переменного тока.

Электропривод постоянного тока—дорогой и сравнительно сложный в эксплуатации, требует тщательного ухода, поэтому в первую очередь применяют электропривод переменного тока, а электропривод постоянного тока используют лишь тогда, когда это обусловлено высокими требованиями, предъявляемыми к диа­пазону и плавности пуска, торможения и регулирования скорости. Электропривод постоянного тока устанавливают на мощных экс­каваторах, буровых станках, подъемных установках, в рудничном транспорте и иногда на забойных машинах. В основном же на гор­ных предприятиях применяют электропривод переменного тока как более простой и требующий меньшего ухода.

Уравнения движения электропривода.

На практике часто приходится иметь дело с механическими системами движущимися поступательно. В этом случае силу, которую необходимо приложить к исполнительному органу электропривода, можно в общем случае рассчитать по формуле

при поступательном движении:

F = F_c ± F_d = F_c ± ma (1)

где: F – движущая сила

F_c – сила статического сопротивления.

F_d – динамическая сила

m – масса поступательно движущихся частей

a – ускорение или замедление.

Знаки «плюс» и «минус» отражают случаи, когда момент создаваемый приводом является двигательным или тормозным.

В приведенном уравнении силы измеряются в Н, масса – в кг, скорость – в м/с, время - в сек.

В тех случаях когда электрическая машина совершает вращательное движение приходится иметь дело не с «силой» а с движущим моментом, для такого случая общая формула расчета принимает вид

при вращательном движении:

M = M_c ± M_d = M_c ± J (2)

где: M – вращающий момент на валу двигателя, Н

M_c – момент статического сопротивления, Н∙ м;

M_d – момент динамического сопротивления, Н∙ м;

J – момент инерции вращающейся системы, Нм∙сек²;

 – угловое ускорение или замедление вала двигателя.

Виды статических моментов

Р абочая машина предназначена для совершения полезной работы, т. е. для преодоления полезных сил сопротивления, но одновременно с этим преодолевает и вредные силы сопротивле­ния, создаваемые силами трения. Потери на трение в движу­щихся частях рабочей машины учитываются коэффициентом полезного действия по формуле

(3)

где: Р_м — полная мощность на валу рабочей машины с учетом потерь на трение; Р_м.п—мощность на валу рабочей машины, идущая на совершение полезной работы;η – К.П.Д. рабочей машины.

Иногда вместо К.П.Д. в формуле потери от вредных сопротивлений можно учитывать завышением полезной мощно­сти на фиктивную добавочную величину, пропорциональную этим потерям. Так, например, в подъемных установках трение в направляющих и сопротивление воздуха в стволе можно учи­тывать увеличением полезной массы на некоторую фиктивную величину.

Мощность на валу рабочей машины создается моментом на­грузки и угловой скоростью. Момент же нагрузки, создаваемый рабочей машиной, может быть направлен как встречно, так и согласно с направлением угловой скорости двигателя. В первом случае этот момент препятствует движению, во втором случае— способствует. Момент рабочей машины, пересчитанный на ча­стоту вращения двигателя, называется приведенным статиче­ским моментом. В уравнении (2) он обозначен через М_с. Момент статических сопротивлений может быть реактивным и активным.

Реактивный момент—это момент, создаваемый силами тре­ния, изгиба, кручения, смятия неупругих тел. Действие этого момента всегда встречно движению.

Активный момент—это момент, создаваемый массой под­нимаемого груза, силами сжатия, изгиба, кручения упругих тел, т.е. их действие связано с изменением потенциальной энергии отдельных элементов электрифицированного агрегата. Направ­ление действия активного момен­та одностороннее, например, при подъеме груза он препятствует движению, а при опускании – способствует. Таким образом, активный момент с изменением направления движения своего знака не меняет.

Р абота электрифицирован­ного агрегата в режимах пуска, торможения, при переходе с од­ной скорости на другую зависит

Рис. 1.1. Механические характе­ристики рабочих машин

от характера изменения вращаю­щего момента двигателя и стати­ческого момента рабочей ма­шины, являющегося функцией угловой скорости. Причем статический момент зависит не только от угловой скорости, но и от времени или пути, а также может оставаться без изменения.

О пыт эксплуатации различных рабочих машин и механизмов показал, что их статические моменты могут быть выражены формулой

М_с = М_тр + (хМ_с – М_тр)

(4)

где: М_тр—момент, создаваемый силами трения в движущихся частях рабочей машины; М_с.ном—номинальный статический момент при номинальной скорости; ω, ω_ном—текущая и номи­нальная угловые скорости; а — коэффициент, характеризующий изменение момента сопротивления с изменением угловой ско­рости; х—коэффициент загрузки.

Согласно формуле (4) часть рабочих машин можно клас­сифицировать на следующие ка­тегории.

В первую категорию входят рабочие машины, у которых ста­тический момент постоянен и не зависит от скорости. Коэффи­циент а в этом случае равен нулю. Такую характеристику имеют, например, ленточные, скребковые, канатные конвей­еры при постоянном количестве груза на них, лебедки и другие механизмы. На рис. 1.1 этому случаю соответствует прямая 1.

Во вторую категорию входят рабочие машины, у которых статический момент зависит от угловой скорости, т.е. М_с =f(l). Для одних рабочих машин такая зависимость прямо­линейная, т. е. а=1 (рис. 1.1, кривая 2), для других—парабо­лическая, т. е. а=2 (рис. 1.1, кривая 3). Последнюю зависи­мость имеют вентиляторы и центробежные насосы.

В третью категорию входят рабочие машины, у которых статический момент зависит от пути, т. е. М_с =f(l) Такую за­висимость имеют качающиеся конвейеры, поршневые компрес­соры и насосы, опрокидыватели и др.

В четвертую категорию входят рабочие машины, у которых статический момент зависит одновременно от угловой скорости и пути, т.е. М_с =f(ω, l). Такую характеристику имеет рельсо­вый транспорт, так как сопротивление движению подвижного состава зависит:

Рис. 1.2. Случайный характер из­менения статического момента во времени

а) от сопротивления трения при движении состава по го­ризонтальному и прямолинейному пути и от сопротивления воздуха, являющегося функцией угловой скорости, т. е. М_с =f₁(ω);

б) от дополнительных сопротивлений движению на подъ­емах и на кривых, зависящих от местонахождения состава или пройденного пути, т.е. M_c=f₂(l).

В пятую категорию входят рабочие машины, у которых из­менения статического момента в силу производственных особен­ностей носят случайный характер в функции времени, т. е. М_с=f(t) (рис. 1.2). Такая зависимость характерна для добычных и проходческих машин. Для отдельных участков забоя значе­ние моментов сопротивления определяется из уравнения

M_c = m_z(t)+ M(f), (5)

где m_z(t)—математическое ожидание величины моментов со­противления разрушению на данном участке забоя; M(f)— составляющая, характеризующая изменение моментов сопро­тивления исполнительному органу, связанных с изменением крепости угля и динамикой работы исполнительного органа.