МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

                                                               
 

                                                                 Кафедра «Горная электротехника

                         и автоматика»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 

к курсовой работе по дисциплине:  

«Шахтный автоматизированный

электропривод»

                                                 Выполнил:                       ст. гр. ЭМК-07       

                                                                          Подгерняк И.Н. 

                                                Руководитель проекта:  Шевченко В.Ф.

                                                         

Донецк, 2010 

      РЕФЕРАТ 

     Курсовой  проект: страниц 15, таблиц 1, рисунков 2. 

     Объект исследования: Электропривод шахтных стационарных установок. Асинхронно-вентильный каскад. Вентилятор главного проветривания. 

     Цель  работы: Спроектировать по заданным условиям систему управления двигателем вентилятора  главного проветривания шахты на базе ПАВК и дать ее краткое описание. 

     В курсовой работе составлена принципиальная схема АВК, по заданным условиям определена мощность двигателя, были выбраны основные элементы АВК, спроектирована система  управления двигателя вентилятора. 
 
 

     АСИНХРОННО-ВЕНТИЛЬНЫЙ КАСКАД.  ВЕНТИЛЯТОР ГЛАВНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ.  МОЩНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ.  СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Основные  производственные процессы в механизированных лавах угольных и сланцевых шахтах сопровождаются выделением пыли, а  производство взрывных работ выделением газов (СО₂, СН₄ и др.), что вызывает загрязнение рудничной атмосферы.

     Согласно  ТБ в выработках, где находятся  люди, воздух должен содержать определенное количество кислорода (не менее 20%) и  метана (в исходящей струе не более 1%).

     Для работающих в шахте людей достаточным  количеством воздуха и создания нормальных условий труда необходима искусственная вентиляция, обеспечивающая постоянный приток свежего воздуха  с поверхности и удаление загрязненного  воздуха из шахты в атмосферу. Для этого, в основном, используют вентиляторы главного проветривания (ВГП), а также вентиляторы местного проветривания и ряд других технических решений.

     Несоответствие  режима работы вентилятора параметрам вентиляторной сети приводит к его  эксплуатации вне зоны экономической работы. Основное условие экономической работы вентиляторной установки – соответствие подачи и давления развиваемых вентилятором, потребности шахты и сведения до минимума времени работы вентилятора в режимах, характеризуемых подачей в шахту избыточного количества воздуха. Это может быть осуществлено изменением режима работы вентиляторной установки, то есть изменением подачи или давления вентилятора.

     Среди прочих способов регулирования подачи вентиляторов изменением скорости электропривода имеет ряд существенных преимуществ, которые заключаются в следующем:

• высокая экономичность, которая всецело зависит от экономичности регулируемого электропривода, так как КПД вентилятора в этом случае постоянен;

 

• возможность применения вентилятора простейшей конструкции без направляющего аппарата и удобства поворота лопаток колеса;
• расширенная область экономической работы.

 

     Бесступенчатое  регулирование скорости электропривода вентилятора достигается следующими схемными решениями систем электропривода:

• асинхронно-машинно-вентильный каскад;
• асинхронно-вентильный каскад;
• асинхронный двигатель со статическим преобразованием частоты;
• асинхронный двигатель в режиме двойного питания;
• двигатели постоянного тока (Г-Д; УВ-Д).

 

     наиболее  применение получили системы с асинхронно-вентильным каскадом. АВК отличается от остальных каскадов отсутствием дополнительных машин постоянного и переменного тока. Последние заменены статическим преобразователем энергии, состоящим из трансформатора и инвертора. Трансформатор служит для согласования напряжения ротора с напряжением питающей сети. Инвертор предназначен для преобразования постоянного напряжения ротора в переменное с частотой сети. Принцип работы вентильного каскада аналогичен работе каскадных схем вообще. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Выбор двигателя

 

     Исходные  данные: 

 

     Определяем  по заданным условиям мощность двигателя  вентилятора главного проветривания шахты:

        кВт

       кВт

     Выбираем  асинхронный двигатель с фазным ротором АКН-15-57-8.

     Мощность: N₁ = 800 кВт

     Частота вращения:  η₁ = 735 об./мин.

     Ток статора:  I_ст = 95 А

     ЭДС ротора: U₂ = 965 В

     Ток ротора:  I₂ = 490 А

     Перегрузочная способность: 2,5

     КПД электродвигателя:  η_д = 0,948

     Маховый момент: 4,7 

     1.1 Определим номинальный момент: 

       

     1.2 Статический момент вентилятора М_ст 

     М_ст = 0,9М_ном = 0,9 · 10265 = 9238,5 Н·м

     Активное  сопротивление обмоток статора:  r₁ = 0,54 Ом

     Активное  сопротивление обмоток ротора:  r₂ = 0,027 Ом

     Приведенное сопротивление обмоток статора:  r´₁ = 0,0175 Ом

     Приведенное сопротивление обмоток ротора:  r´₂ = 0,65 Ом

     Индуктивное сопротивление: Хр=0,22 Ом

     cos φ_ном = 0,84

     Диапазон регулирования: Д = 1,5:1(490)  

     1.3 Выбираем основные элементы АВК 

     Выбор дросселя:

     I_{n ном} = 1000 А

     r_др =0,002 Ом

     L_др = 2,5 мГ

     Асинхронно-вентильный каскад выбираем по данным используемого  электродвигателя:

     I_n.ном  > I_{2 ном};           U_n.ном  > U_{2 н.н} ·

     I_n.ном  > 490 А;            U_n.ном  > 0,34U₂ = 0,34·965 = 328.1 В 

     Выбираем преобразователь типа: ПАВК-400-630

     Основные  данные:

     Номинальное линейное напряжение:  U_n.ном  = 350 В

     Номинальный ток преобразователя:  I_{n ном} = 630 А

     Максимально допустимый ток:  I_{max доп} = 1000 А

     Линейное  напряжение инвертора:  U_инв= 380(400) В 
 

     Выпрямитель принимаем: МВТ 500-800

     Основные  данные:

     Номинальное линейное напряжение:  U_л = 500 В

     Номинальный ток выпрямителя:  I_в = 800 А

     Максимально допустимый выпрямленный ток:  I_в·max = 1280 А

     Номинальная мощность:  Рн = 400 кВт 

2. Выбор трансформатора

 

     Для передачи энергии скольжения в питающую сеть, выбираем согласующий трансформатор  инвертора, принимая  U_инв = U_n.ном    и пренебрегая изменением скорости из-за дополнительных сопротивлений в роторной цепи двигателя. Для этого определяем ток во вторичной обмотке трансформатора: 

     

 

     Выбираем  мощность трансформатора:

     S > √3 · U_2mp · I_2mp = √3 · 380 · 492.5 = 324153.3 ВА 

     Выбираем  трансформатор и приводим его  основные данные:

     ТМ  – 400

     I_хх = 3%

     U_к = 5%

     R_тр = 0,003 Ом

     ∆Р_х.тр = 7,5 кВт

     ∆Р_к.тр = 8 кВт 
 

3. Определение энергетических показателей  электропривода

 

     Определим энергетические показатели электропривода при работе вентилятора на минимальной частоте вращения:

     

     Магнитные потери в статоре:

     

     Потери  в статоре на нагрев:

     ∆Р_ст = 0,5∆Р_м = 0,5·14.6 = 7.3 Вт

     

     Постоянные  и переменные потери в двигателе  и трансформаторе:

     

     

     

     Мощность, рекуперируемая в сеть:

     

     КПД электропривода при минимальной  частоте вращения:

     

     Определим  cos φ_дв:

     

     Отсюда  tg φ_дв=0,8

     Реактивная  мощность двигателя:

     Q_дв = Р_дв · tg φ_дв = 732,6 · 0,8 = 586,08 кВАр

     Активная  мощность трансформатора:

     

     Реактивная  мощность трансформатора:

     

     Коэффициент мощности электропривода:

     

     Находим скольжение, при котором прекращается рекуперация энергии в сеть:

     

     где:

     

     

     Определим номинальное скольжение:

     

     Частота вращения двигателя, соответствующая скольжению S_рек

     

     Таблица 1. Показатели электропривода

 
 
 
 
 

4. Система управления электроприводом  вентилятора

     К системам автоматизированного управления электроприводом, в зависимости от назначения, предъявляют ряд требований:

• обеспечение системой управления режимов работы, необходимых для осуществления технологического процесса;
• простота системы, однотипность, минимальное количество элементов;
• надежность системы;
• гибкость и удобство управления.

     Проектируемая в данной работе система управления соответствует этим требованиям. Ее преимущество в отсутствии дополнительных вращающихся машин постоянного  и переменного тока (замена их статическим  преобразователем энергии – трансформатором и инвертором), что повышает надежность и упрощает конструкцию, а также возможность (в режиме динамического торможения) регенерации энергии торможения в сеть.

     К недостаткам следует отнести  то, что АВК с полупроводниковым  преобразователем и естественной коммутацией тиристоров инвертора ухудшают коэффициент мощности электропривода. Снижение коэффициента мощности происходит по двум причинам: из-за увеличения потребления (циркуляции) реактивной мощности и из-за наличия высших гармоник в кривых тока двигателя и трансформатора (мощность искажения).

     При этом следует иметь в виду, что  коэффициент мощности асинхронного двигателя в схеме АВК несколько  изменяется.

     Для повышения коэффициента мощности электропривода с АВК могут быть использованы: несимметричное управление анодной и катодной группами тиристоров, включенных по трехфазной мостовой схеме. При вентиляторном моменте нагрузки наряду с ЭДС инвертора целесообразно регулировать напряжение, подводимое к статору АД (например, с помощью автотрансформатора, переключаемого под нагрузкой), что приводит к повышению коэффициента мощности электропривода при работе на пониженных скоростях механизмов.

     В состав схемы АВК входит: асинхронный  двигатель АД, неуправляемый выпрямитель  В, инвертор И, согласующий трансформатор Тр, Дроссель Др и система управления СУ.

     В схеме АВК в цепь ротора АД вводится добавочная ЭДС (против ЭДС). Ее источник при этом преобразует энергию  потери скольжения в электрическую  энергию промышленной частоты.

     Добавочная  ЭДС создается вентильным преобразователем (инвертором) путем изменения угла отпирания тиристоров и вводится в цепь выпрямленного тока ротора встречно по отношению к ЭДС выпрямителя В. Вследствие чего, изменяется ток ротора так, что равновесие электромагнитного момента двигателя и момента нагрузки наступает при другой частоте вращения двигателя. В целях уменьшения потерь, регулирование частоты вращения целесообразно осуществлять только изменением угла отпирания тиристоров. Пуск АД можно осуществить без пускового реостата – путем постепенного изменения угла отпирания тиристоров инвертора. Инвертор позволяет формировать напряжение, подаваемое на трансформатор, с частотой и фазой, согласно сетевым параметрам (схема инвертора, ведомого сетью).

     Итак, воздействие на ЭДС ротора со стороны источника встречной ЭДС, изменяемой углом отпирания тиристоров инвертора, приводит к изменению скорости вращения двигателя (вниз от номинальной) и переход на новую механическую характеристику. Часть энергии скольжения, за вычетом потерь, возвращается в питающую сеть. 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Принципиальная  схема АВК. Характеристики АД

 

       

     Рисунок 1.  Принципиальная схема силовой цепи системы АВК 

     На  схеме применены следующие обозначения:

     КМ1, КМ2 – контакты дугогасящие

     М – асинхронный двигатель

     Тр  – согласующий трансформатор

     И – инвертор

     В – выпрямитель

     Др  – дроссель

     СУ  – система управления

     QF1, QF2 – рубильники 
 

       

     Рисунок 2. Механическая характеристика АД при работе в системе АВК. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Заключение  

     В данной курсовой работе была спроектирована схема управления двигателем вентилятора главного проветривания. В качестве схемы управления был выбран АВК. Были изучены принципиальная схема, преимущества и недостатки этой системы регулирования. В ходе выполнения этого проекта приобретены навыки и знания, необходимые для грамотного проектирования ВГП, которые потребуются при выполнении дипломного проекта и при дальнейшей работе на предприятиях угольной промышленности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Литература 

1. Малиновский А.К. Автоматизированный электропривод  машин и установок шахт и рудников. – М. Недра, 1987. – 278 с.
2. Динкель А.Д., Кавталинов В.Е., Петренко В.И., Ковалев А.М. Тиристорный электропривод рудничного подъема. – М. Недра, 1997. – 312 с.
3. Бацежев Ю.Г., Костюк В.С. Электропривод и электроснабжение. – М. Недра, 1989. – 292 с.
4. Пучков П.А. Бахвалов Л.А. Методы и алгоритмы автоматического управления проветриванием угольных шахт. – М. Недра, 1992. – 268с.