МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» С. В. Константинова ЭЛЕКТРОПРИВОД ГОРНЫХ МАШИН Учебно-методическое пособие Часть 1 Минск БНТУ 2013 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» С. В. Константинова ЭЛЕКТРОПРИВОД ГОРНЫХ МАШИН Учебно-методическое пособие для студентов дневного и заочного отделений специальности 1-36 10 01 «Горные машины и оборудование» В 4 частях Часть 1 Рекомендовано учебно-методическим объединением высших учебных заведений Республики Беларусь по образованию в области горнодобывающей промышленности Минск БНТУ 2013 УДК 622.232.8-83(075.8) ББК 31.291я7 К65 Рецензенты: В. П. Беляев, В. Н. Радкевич Константинова, С. В. Электропривод горных машин : учебно-методическое пособие для студентов дневного и заочного отделений специальности 1-36 10 01 «Горные машины и оборудование» : в 4 ч. / С. В. Кон- стантинова. – Минск : БНТУ, 2013– . – Ч. 1. – 2013. – 66 с. ISBN 978-985-550-206-8 (Ч. 1). В учебно-методическом пособии рассматриваются следующие вопросы: понятие электропривода, механика электропривода, особенности эксплуатации электропри- водов горных машин (для подземных и открытых разработок); электрооборудование горных машин; конструкции, принцип действия, механические и регулировочные ха- рактеристики, тормозные режимы работы электрических двигателей, некоторые во- просы систем управления электроприводами. В части 1 рассмотрены конструкции, принцип действия, механические и регули- ровочные характеристики, тормозные режимы работы асинхронных двигателей, а также приведены примеры асинхронных двигателей, применяемых в электроприво- дах горных машин. Издание предназначено в первую очередь для студентов дневного и заочного от- делений факультета горного дела и экологии, обучающихся по специальности «Гор- ные машины и оборудование». УДК 622.232.8-83(075.8) ББК 31.291я7 ISBN 978-985-550-206-8 (Ч. 1) © Константинова С. В., 2013 ISBN 978-985-550-207-5 © Белорусский национальный технический университет, 2013 К65 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................. 4 1. ЭЛЕКТРОПРИВОД ............................................................................ 5 1.1. Составные части электропривода ............................................... 5 1.2. Механика ЭП ................................................................................ 8 1.3. Основное уравнение движения ЭП ............................................ 9 1.4. Приведение статических моментов и усилий к валу электродвигателя............................................................................... 14 1.5. Расчет момента инерции привода J ....................................... 16 2. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ГОРНЫХ МАШИН .............................................................................. 18 3. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ГОРНЫХ МАШИН ....................... 21 3.1. Требования к электрооборудованию горных предприятий ... 22 3.2. Асинхронные машины............................................................... 30 3.2.1. Принцип работы и устройство асинхронных машин ....... 30 3.2.2. Схемы замещения АМ ........................................................ 31 3.2.3. Механическая характеристика АМ.................................... 34 3.2.4 Способы регулирования частоты вращения АМ ............... 38 3.2.5. Способы пуска асинхронных двигателей ......................... 44 3.2.6. Тормозные режимы АМ ..................................................... 46 3.2.7. Асинхронные машины, применяемые для электроприводов горных машин ........................................... 49 ЛИТЕРАТУРА ...................................................................................... 65 4 ВВЕДЕНИЕ Современные горные предприятия представляют собой предпри- ятия с высоким уровнем механизации, на которых сосредоточено большое количество машин различного функционального назначе- ния, основные группы которых составляют горные и транспортные машины и комплексы. Способы разработки месторождений полез- ных ископаемых неразрывно связаны с уровнем развития, как тех- нологии добычи, так и используемой техники. К горным машинам (ГМ) относят машины, производящие раз- рушение полезных ископаемых и пород, их погрузку на транспорт- ные средства, выдачу полезного ископаемого или породы за преде- лы очистного или проходческого забоя, а также машины, осуществ- ляющие крепление в подземных условиях очистных и проходческих выработок. Различают выемочные ГМ (очистные и проходческие), погрузоч- ные машины, крепи (механизированные и индивидуальные), буриль- ные машины. К выемочным относятся очистные и проходческие комбайны, угольные струги, одно- и многоковшовые экскаваторы, земснаряды, драги. На открытых горных работах используются ком- плексы машин непрерывного действия, имеющие в своем составе мощные многоковшовые (роторные ) экскаваторы и ленточные маги- стральные конвейеры; конвейерный транспорт: скребковые, ленточ- ные, ленточно-цепные и пластинчатые конвейеры; рельсовый транс- порт: локомотивы, вагоны, большегрузные вагоны, самоходные ва- гонетки. При подземной добыче руд получает массовое использование самоходное горное оборудование (бурильные маши- ны, погрузочно-транспортные машины, самоходные вагонетки). В настоящее время автоматизация работы установок и механиз- мов становится возможной благодаря использованию автоматизи- рованного электропривода (АЭП). Все большее количество совре- менных ГМ имеют электроприводы и повышение производительно- сти, надежности работы горной техники неразрывно связано с ее автоматизацией. 5 1. ЭЛЕКТРОПРИВОД 1.1. Составные части электропривода Рациональное проектирование современного автоматизированно- го электропривода (АЭП) требует глубокого знакомства с условиями работы производственного механизма. Оно может вестись лишь на основе тщательно разработанного технического задания, в котором должны быть учтены все особенности производственного процесса и условия работы исполнительного механизма. Электропривод (ЭП) является одним из основных элементов любой электромеханической системы. От его свойств и характеристик в значительной мере зави- сит производительность рабочей машины и качество выпускаемой ею продукции. Поэтому проектирование ЭП должно вестись взаимо- связано с проектированием рабочей машины. В простейшем случае ЭП представляет собой электродвигатель (ЭД), питаемый от сети и приводящий в движение какой-либо ме- ханизм. При этом система управления может сводиться к обычному пакетному выключателю, включающему ЭД в сеть. Электропривод это электромеханическая система, состоящая их электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенных для приведения в дви- жение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением. На рис. 1.1 изображена структурная схема автоматизированного электропривода (АЭП), где: П – преобразователь электроэнергии – устройство, преобразую- щее электроэнергию сети (сеть постоянного тока характеризуется величинами напряжения Uc и тока Ic; электрическая сеть перемен- ного тока характеризуется величиной напряжения UС, частотой fС, количеством фаз m) в электроэнергию с другими параметрами – UП, IП, или UП, fП, mП. П предназначен для питания ЭД и создания управляющего воздействия на него; ЭД – электродвигатель (электромеханический преобразователь – преобразует электрическую энергию в механическую с параметра- ми М (вращающий момент),  (угловая скорость); ПУ – передаточное устройство (кинематическая цепь). ПУ – осуществляет преобразование движения в механической части ЭП. 6 При помощи ПУ можно увеличить или снизить скорость вращения, изменить вид движения (преобразовать вращательное в поступа- тельное). К ПУ относятся редукторы, винтовые, зубчатые, реечные, ременные передачи, кривошипно-шатунные механизмы и т.д. ПУ характеризуется коэффициентом передачи, механической инерционностью и упругостью его элементов. УУ – устройство управления – управляет преобразователем и получает командные сигналы от задающего устройства (ЗУ), а ин- формацию о текущем состоянии ЭП и технологического процесса – от датчиков обратной связи (ОС). УУ сравнивает показания датчи- ков с опорными величинами и, при наличии рассогласования, выра- батывает управляющий сигнал, воздействующий через П на ЭД в направлении устранения возникшего рассогласования с требуемой точностью и быстродействием. РО – рабочий орган исполнительного механизма, при враща- тельном движении характеризуется моментом инерции Jро, угловой скоростью  ро и моментом Мро; при поступательном движении – массой mро, линейной скоростью vро и силой Fро. Рис. 1.1. Структурная схема автоматизированного электропривода Жирными линиями обозначен силовой поток мощности, тонки- ми – слаботочные линии или провода управления. М, ω F, v М, ω UC; fС ЗУ УУ П ЭД ПУ РО ДОСЭ ДОСМ ДОСМ СУ 7 Верхний ряд прямоугольников (рис. 1.1) отражает структуру так называемой разомкнутой системы АЭП, которая характеризуется тем, что выходные параметры системы Mро,  ро, (Fро, vро) не связа- ны электрически с входом этой системы (система не имеет обрат- ных связей). ОС – обратная связь – канал воздействия выходных или проме- жуточных параметров системы на ее управляющий вход. Для орга- низации ОС необходимы датчики (ДОСЭ – датчики обратной связи электрические, ДОСМ – датчики обратной связи механические). С помощью этих датчиков ток, напряжение ,скорость, момент или усилие, положение (перемещение) исполнительного органа рабочей машины, преобразуются в пропорциональные этим параметрам электрические сигналы. В структурной схеме АЭП можно выделить три части: 1) электрический двигатель; 2) механическая часть – для передачи механической энергии от ЭД к исполнительному органу и для изменения вида, скорости дви- жения; 3) система управления (СУ). Электроприводы различают: – по виду движения: вращательного и поступательного, однона- правленного и реверсивного, возвратно-поступательного; эти дви- жения могут иметь как непрерывный, так и дискретный характер; – по принципам регулирования скорости и положения: нерегу- лируемый; регулируемый; следящий (с помощью ЭП воспроизво- дится перемещение РО); программно-управляемый (ЭП обеспечи- вает перемещение РО в соответствии с заданной программой); адаптивный (ЭП автоматически обеспечивает наиболее выгодный режим движения РО); позиционный (ЭП обеспечивает регулирова- ние положения РО); – по способу передачи механической энергии: индивидуаль- ный – когда каждый РО рабочей машины приводится в движение своим отдельным ЭД (является основным ЭП, так как при этом упрощается кинематическая передача от ЭД к РО, упрощается ав- томатизация технологического процесса, улучшаются условия об- служивания рабочей машины); взаимосвязанный ЭП – содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой ЭП, например, многодвигательный ЭП, при котором не- 8 сколько ЭД работают на общий вал, приводя в движение один РО, или РО одной машины приводится в движение несколькими ЭД, т.е. по разным координатам движение обеспечивается одиночными ЭД; групповой ЭП – от одного ЭД приводится в движение несколько РО одной или нескольких рабочих машин, имеет разветвленную кинематическую цепь (трансмиссию). 1.2. Механика ЭП Механическая часть ЭП может представлять собой сложную ки- нематическую цепь с большим числом движущихся элементов. Она передает механическую энергию с помощью ПУ от вала ЭД к рабо- чему органу производственной машины, где эта энергия реализует- ся в полезную работу. Конструктивное выполнение механической части может быть различным, но имеет определенные звенья: – ЭД как звено механической части – источник или потребитель механической энергии. В механическую часть привода входит лишь вращающаяся часть ЭД – его ротор, который обладает определен- ным моментом инерции и может вращаться с некоторой угловой скоростью ω и развивать движущий или тормозящий момент М; – элементы ПУ вращаются или движутся поступательно с разной скоростью, имеют определенный момент инерции (массу), соедине- ния между ними в общем случае содержат зазоры. Наличие этих свойств элементов ПУ вносит определенные искажения в процесс передачи движения и требует соответствующего учета. Анализ меха- нического движения осуществляется с помощью расчетных схем ЭП. Для облегчения расчетов переходят к расчетной схеме, т.е. обычно приводят все инерционные массы механических звеньев, все внешние моменты и силы к валу ЭД. Движущие моменты, инерционные массы, моменты сопротивления должны быть пере- считаны так, чтобы сохранились кинематические и динамические свойства исходной системы. Расчетную схему можно свести к од- ному обобщенному жесткому звену, имеющему эквивалентную массу с моментом инерции J, на которую воздействует электро- магнитный момент двигателя М и суммарный, приведенный к валу двигателя, момент сопротивления (статический момент Мс), вклю- чающий все механические потери в системе, в том числе механиче- 9 ские потери в двигателе. Считаем, что система абсолютно жесткая (рис. 1.2). Рис. 1.2. Расчетная схема ЭП В соответствие с основным законом динамики для вращающего- ся тела векторная сумма моментов, действующих относительно оси вращения, равна производной момента количества движения. Дви- жение материального тела определяется вторым законом Ньютона: dt vd mF   ; dt d JM n i i     1 – для поступательного и вращательного движения соответственно, где FM  , – векторные суммы момен- тов и сил, действующих на тело, a dt vd dt d       , – угловое ускоре- ние и ускорение поступательно движущегося тела соответственно, , v – угловая и линейная скорости тел, движущихся вращательно и поступательно. Момент сопротивления Мс, возникающий на валу рабочей ма- шины, состоит из двух слагаемых: полезной работы РО (связана с выполнением соответствующей технологической операции) и рабо- ты сил трения. 1.3. Основное уравнение движения ЭП Для приведения к валу ЭД момента или усилия нагрузки РО производственной машины используют баланс мощностей в меха- нической части ЭП. Баланс мощностей для ЭП можно записать в виде формулы 1.1. М ω Мс J 10 ДС РРР  , (1.1) где Р – мощность, развиваемая ЭД (Вт); РС – мощность статической нагрузки, в т.ч. и мощность, затра- чиваемая на преодоление сил трения; РД – мощность, обусловленная изменением кинетической энер- гии системы. Выражения определения мощностей для вращательного движе- ния имеют вид:  МР ;  СС МР ;  ДД M dt dA Р k , где М – вращающий момент ЭД;  – угловая скорость вала ЭД, рад/с; МС – момент статической нагрузки, приведенный к валу ЭД; РД, МД –динамическая мощность и динамический момент, учи- тывающие изменение кинетической энергии 2 2   J Ak ; dt dAk – скорость нарастания кинетической энергии системы. Исходя из вышеизложенного, можно записать следующее урав- нение для определения динамической мощности:           dt dJ dt d J dt dA Р k 2 2 Д ; (1.2) dt d d dJ dt d JР         2 2 Д , 11 где d – угол поворота вала ЭД за время dt , dt d  ; J – суммарный момент инерции системы, приведенный к валу ЭД. Динамический момент можно выразить следующим образом:         d dJ dt d J P M 2 2 Д Д . (1.3) Тогда в соответствии с (1.1) можно записать: ДС МММ  . Уравнение движения ЭП, в общем виде, имеет вид:       d dJ dt d JМM 2 2 С , (1.4) где М и  – текущие значения момента и угловой скорости ЭД. За- висимость момента М от угловой скорости  называется механиче- ской характеристикой. Вместо момента инерции часто вводится понятие махового мо- мента ( 2GD ): gJGD 42  , g GD J 4 2  , где G – вес системы (сила тяжести), Н; D – диаметр инерции, м; g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2. В этом случае уравнение движения ЭП принимает следующий вид:   d dGDn dt dnGD МM 222 С 7200375 , (1.5) 12 где n – частота вращения вала ЭД (об./мин). Следует отметить, что n связана с угловой скоростью ω (рад/с) соотношением 60 2 n  . В ряде случаев МС определяется угловой скоростью производ- ственного механизма (вентилятора, насоса, компрессора). Момент инерции привода J для большинства машин (кривошипных) явля- ется периодической функцией, явно зависящей от угла  или вре- мени t. Если момент инерции J не зависит от угла  , уравнение движения приобретает вид: dt d JММ   С . (1.6) Для поступательного движения выражения определения мощно- стей имеют вид: FvР  ; vFP CC  ; dt dA P kД , где F – движущая сила, Н; v – линейная скорость перемещения точки приложения этой си- лы, м/с; FC – сила сопротивления; 2 2vm Аk  – кинетическая энергия; m – масса системы, приведенная к скорости точки приложения силы. Тогда уравнение движения ЭП будет иметь вид: dL dmv dt dv mFF C    2 2 , (1.7) 13 где L – путь, пройденный точкой приложения силы. Если масса системы остается неизменной ,constm  то уравне- ние движения ЭП для поступательного движения запишется в виде: dt dv mFF  C . (1.8) Статические моменты (моменты сопротивления) делятся: – на активные – обусловленные потенциальными силами и не меняющие своего направления при изменении направления движе- ния (при подъеме и опускании груза), они могут быть движущими, и могут препятствовать движению; – реактивные – всегда направленные против движения (момен- ты, обусловленные силами трения). При установившемся режиме работы скорость привода постоян- на (М = МС). Переходный режим работа ЭП – это режим работы при переходе от одного установившегося состояния к другому. Причи- нами возникновения переходных режимов в ЭП являются измене- ние нагрузки, связанное с производственным процессом, либо воз- действие на ЭП при управлении им, т.е. пуск, торможение, измене- ние направления движения, а также нарушения нормальных условий электроснабжения (изменение напряжения, частоты сети). Уравнение движения ЭП должно учитывать все силы и моменты, действующие в переходных режимах. С учетом вышесказанного, уравнение движения электропривода представим в виде: .C dt d JMM    (1.9) Уравнение движения ЭП (1.9) показывает, что развиваемый дви- гателем вращающий момент М уравновешивается моментом сопро- тивления МС на его валу и динамическим (инерционным) моментом dt d JМ   Д . Знаки «+» и «–» говорят о двигательном и тормозном режимах работы. 14 МС 1.4. Приведение статических моментов и усилий к валу электродвигателя Обычно ЭД приводит в действие производственный механизм через систему передач. При расчетах все моменты и усилия необхо- димо привести к одному валу (чаще к валу ЭД), учитывая при этом потери на трение и КПД ( ) передач. В качестве примера рассмот- рим кинематическую схему (рис. 1.3). Рис. 1.3. Кинематическая схема механизма Мощность РО исполнительного механизма РОР , в соответствии с вышеизложенным, определяется по формулам: РОРОРО  МР ( РОМ – вращающий момент на РО) или POPOPO vFP  (FPO – сила, действующая на РО при поступательном движении), 21 PO PО iii     – передаточное отношение ( 1 1   i , РО i    12 – пе- редаточные отношения редукторов). Выражения приведения статических моментов и усилий к валу ЭД в зависимости от режима работы ЭП, с учетом КПД, сведены в табл. 1.1. 22,i РОМ , РО 11,i ( ,РОF РОv ) М ω i1 i2 ЭД РО 15 Таблица 1.1 1. Двигательный режим (подъем груза) РС РРО Р РС = РРО+ Р ;   РОС Р Р для вращательного движения:   РОРОС ωМ М , тогда P РОРОРО С 1 i ММ М       ; для поступательного движения:   POPOС vF М  , тогда    POC F M 2. Тормозной режим (спуск груза) РС РРО Р РРР  РОС ,  РОС РР для вращательного движения:  РОРОС ММ , тогда P РО С i М М   ; для поступательного движения:  POPOС vFМ , тогда    POPOC vF M ;  POC FM В табл. 1.1 приняты следующие обозначения: Р – мощность потерь в механических звеньях;  – угловая скорость вала ЭД, 30 n  ;  – КПД механической части ЭП, 21 ;   v – радиус приведения усилия нагрузки к валу ЭД. Необходимо отметить, что PОi и  определяются по конструк- тивным параметром ПУ. 16 Общее выражение для приведения статических моментов к валу ЭД имеет вид:       l k k k k n i ii i vF i М ММ 11 РС , (1.9) где МР – статический момент сопротивления на роторе ЭД. Второе и третье слагаемые учитывают моменты всех частей движущихся вращательно и поступательно соответственно. 1.5. Расчет момента инерции привода J Инерционное действие вращающихся частей механизма, нахо- дящихся на промежуточных валах, можно заменить действием во- ображаемого маховика, расположенного на валу ЭД и обладающего запасом кинетической энергии, равным запасу кинетической энер- гии действующих частей. Приведение инерционных масс и моментов инерции механиче- ских звеньев к валу ЭД заключается в том, что эти массы и момен- ты инерции заменяются одним эквивалентным моментом инерции J на валу ЭД (т.е. расчет J производится исходя из условия ра- венства кинетических энергий, запасенных во всех движущихся элементах ЭП и кинетической энергии, которая должна быть запа- сена в эквивалентном маховике). Рассчитаем суммарный момент инерции ЭП для примера на ри- сунке 1.3. Кинетическая энергия, запасенная искомым моментом инерции J определяется по формуле 2 2 J ; кинетические энер- гии, записанные в движущихся элементах ЭП: 22 2 1 2 1 1    JJ , 22 2 2 2 2 2    JJ , где 1J  , 2J  – моменты инерции, приведенные к валу ЭД. Тогда 17 2 1 12 2 1 11 1 i JJJ     ; 2 2 22 2 2 22 1 i JJJ     . При наличии поступательного движения элементов, деталь ме- ханизма с массой m, движущуюся поступательно со скоростью v, заменяем воображаемой деталью с моментом инерции ПJ  , распо- ложенной валу ЭД: 22 22 П v mJ     2 2 П   v mJ . Запас кинетической энергии ЭП остается неизменным, на осно- вании чего можно записать:          l k k k i n i i v mJJJ 1 22 1 2 Д 2 2222 , (1.10) где ДJ – момент инерции двигателя, определяемый из каталога. Уравнение для расчета суммарного момента инерции ЭП полу- чим, разделив выражение (1.10) на 2/2 :      l k k k i n i i v m i JJJ 1 2 1 Д )( 1 , (1.11) где второе и третье слагаемые уравнения являются суммарными моментами инерции всех вращательно и поступательно движущих- ся элементов ЭП соответственно. 18 2. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ГОРНЫХ МАШИН Выемочные и транспортные ГМ, применяемые в подземных и на открытых горных работах, эксплуатируется в сложных условиях. Поэтому необходимо учитывать эти условия для рационального использования и бесперебойной работы ЭП. Специфическими усло- виями, в которых работают ЭП ГМ в подземных выработках, ха- рактеризуется следующими факторами: – наличием (часто) взрывоопасной атмосферы (в виде метана в смеси с воздухом в угольных шахтах); – наличием (часто) взрывоопасной атмосферы водорода и метана в смеси с воздухом в калийных шахтах; – наличием угольной и других видов пыли во взвешенном состо- янии; – размещением электрооборудования в выработках, подвержен- ных воздействию горного давления; – ограниченным пространством, обусловленным размерами гор- ных выработок; – наличием влаги за счет подземных вод; – недостаточностью освещения; – перемещением машин и оборудования по неровной почве вы- работок вслед за продвижением горных работ; – широким применением взрывных работ, вызывающих опас- ность повреждения машин; – повышенной опасностью поражения электрическим током; – разобщенностью горных работ, ведущихся на значительных территориях. ЭП шахтных стационарных машин, расположенных в закрытых помещениях на поверхности, эксплуатируются в более благоприят- ных условиях, чем подземные. Для открытых горных разработок специфическими являются следующие факторы: – производство работ на открытом воздухе, что связано с небла- гоприятными атмосферными явлениями (воздействиями); – перемещение рабочих машин, механизмов, электрооборудова- ния в процессе работы, связанные с подвиганием забоя по мере раз- вития вскрышных и добычных работ; 19 – значительная территория и разобщенность горных работ, что усложняет систему подвода и распределения электроэнергии; – широкое применение взрывных работ; – повышенная опасность поражения электрическим током; – наличие тряски, вибрации, ускорений. Характерным условием работы большинства ЭП ГМ (как в под- земных выработках, так и открытых разработках) является измене- ние нагрузок в широких пределах, часто с пикообразным характе- ром. Особенно большие динамические моменты в двигателях и пе- редачах машин могут возникать при переходных электромагнитных процессах, возникающих при резком и частом изменении скорости или нагрузки: – из-за различных физико-механических свойств пород и полез- ных ископаемых; – неоднородности пород; – наличия разнообразных включений; – частых пусков ЭП; – частых реверсов ЭП. Перечисленные специфические условия работы ГМ и механиз- мов, предъявляют к их электроприводам ряд требований: – взрывобезопасность исполнения электрооборудования, предна- значенные для применения в подземных горных выработках; – высокая механическая прочность и надежность конструкций ГМ и электрооборудования; – безопасность обслуживания; – защищенность электрооборудования от проникновения пыли и влаги; – влагостойкость изоляционных материалов; – антикоррозийность покрытий наиболее ответвленных частей; – минимальные габаритные размеры и масса электрооборудова- ния; – использование специальных устройств для подвода электро- энергии к подвижным частям ГМ; – возможность быстрого и удобного перемещения электрообо- рудования в безопасное место перед началом взрывных работ; – возможность монтажа и демонтажа электрооборудования в стесненных и полевых условиях. 20 Основными требования, предъявляемые к ЭП добычных, про- ходческих, транспортных и ряда стационарных ГМ, являются воз- можность регулирования угловой скорости ЭД и уменьшение пус- ковых токов. Основными требованиями к главным ЭП ГМ для от- крытых разработок являются: – бесступенчатое регулирование скорости (в пределах техниче- ских условий); – ограничение момента в «тяжелых» переходных процессах, ко- гда статический и динамический моменты в сумме больше Ммах допустимого; – ограничение ускорения; – ограничение рывка dt dM в переходных процессах; – минимальное время переходных процессов для механизмов с интенсивным повторно-кратковременным режимом работы; – сохранение работоспособности ЭП при глубоких просадках напряжения; – обеспечение безаварийного останова ГМ при аварийных ре- жимах (отключения питающей сети). Задачами систем управления ЭП являются: осуществление пуска и торможения, регулирование скорости, реверс рабочей машины, поддержание режимов работы машины в соответствии с требовани- ями технологического процесса, управление положением рабочего органа машины. При этом должны быть обеспечены минимальные капитальные затраты, расход электроэнергии и максимальная про- изводительность ГМ. Повышение производительности тесно связа- но с усовершенствованием автоматизированного электропривода ГМ. Автоматика также защищает рабочие машины от поломок, со- кращая тем самым число ремонтов, уменьшая расход энергии и ма- териалов, уменьшает себестоимость продукции. 21 3. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ГОРНЫХ МАШИН Основное электрооборудование механизмов и машин горных предприятий приведено на рис. 3.1. Рис. 3.1. Основное электрооборудование, используемое в горной технике ОСНОВНОЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ Аппаратура ручного управления: – рубильники и рубя- щие переключатели; – пакетные выключа- тели и переключатели; – барабанные пере- ключатели (контрол- леры); – однополюсные вы- ключатели (тумблеры); – универсальные пере- ключатели; – штепсельные разъемы Постоянного тока: – МПТ НВ (незави- симого возбужде- ния); – МПТ ПВ (последо- вательного возбуж- дения); – МПТ СВ (смешан- ного возбуждения) Переменного тока: Асинхронные машины: – АМ с КЗР (с короткозамкнутым ротором – беличья клетка); – АМ с ФР (фазным ротором) Синхронные машины Аппаратура дистанционного и автоматического управления: – контакторы и магнит- ные пускатели; – промежуточные реле; – реле времени; – реле тока; – реле счета импульсов; – реле давления (аппа- ратура контроля давле- ния); – путевые и конечные переключатели; – микропереключатели; – кулачковые регули- руемые командоаппа- раты; – кнопки и кнопочные станции (кнопки управления, кнопочные посты управления); – указатели скорости; – датчики Аппаратура защиты: – плавкие предохра- нители; – тепловые реле; – автоматические выключатели; – разъединители Аппаратура бесконтактного управления – бесконтактные путе- вые выключатели; – фотореле; – логические эле- менты; – полупроводниковые элементы; – бесконтактные датчики Электрические машины Трансформаторы Трансформаторные подстанции Передвижные трансформаторные подстанции Распределительные устройства Электромагнитные муфты: – сцепные муфты; – муфты скольжения; ; 22 Применяемое электрооборудование должно обеспечивать: вы- полнение технологической операции; безопасность и удобство ра- боты; требуемую производительность труда при высоком качестве продукции; высокую надежность в эксплуатации. Электрооборудование устанавливается в соответствии с положе- ниями по ТБ и ПУЭ. По условиям эксплуатации к электрооборудо- ванию предъявляются определенные требования. 3.1. Требования к электрооборудованию горных предприятий Согласно действующему нормативному документу ПУЭ в гла- ве 7.3 выделяют следующие классы взрывоопасных зон:  зоны класса В-1 – расположены в помещениях, в которых вы- деляются горючие газы или пары легковоспламеняющихся жидко- стей (ЛВЖ) в таком количестве и с такими свойствами, что могут образовывать с воздухом взрывоопасные смеси при нормальных режимах работы;  зоны класса В-1а – расположены в помещениях, в которых взрывоопасные смеси горючих газов (независимо от нижнего кон- центрационного предела воспламенения) или паров ЛВЖ с возду- хом не образуются при нормальной эксплуатации, а только в ре- зультате аварий или неисправностей;  зоны класса В-1б – аналогичны В-1а, но отличаются от них тем, что при авариях горючие газы обладают высоким нижним пре- делом воспламенения (15 % и выше), а также при опасных концен- трациях резким запахом. В этот класс входят зоны лабораторных и других помещений, в которых горючие газы и ЛВЖ имеются в ма- лых концентрациях, недостаточных для создания взрывоопасной смеси и где работа производится без применения открытого пламе- ни. Зоны не относятся к взрывоопасным, если работы с опасными веществами производятся в вытяжных шкафах или под вытяжными зонтиками;  зоны класса В-1г – пространства у наружных установок: тех- нологических установок, содержащих горючие газы или ЛВЖ, от- крытых нефтеловушек, надземных и подземных резервуаров с ЛВЖ или горючими газами (газгольдеров), эстакад для слива и налива ЛВЖ; 23  зоны класса В-2 – расположены в помещениях, где выделяются переходящие во взвешенное состояние горючие пыли или волокна в таком количестве и с такими свойствами, что могут создавать с воз- духом взрывоопасные смеси при нормальных режимах работы;  зоны класса В-2а – такие, где опасные условия при нормальной работе не возникают, но могут возникнуть в результате аварий или неисправностей. Оборудование, предназначенное для работы в пределах зоны то- го или иного класса, должно иметь соответствующий уровень взры- возащищенности. Защита оборудования. По области применения оборудование делится на следующие группы:  I – оборудование, предназначенное для применения в подзем- ных выработках шахт, рудников, опасных в отношении рудничного газа и (или) горючей пыли, а также в тех частях их наземных строе- ний, в которых существует опасность присутствия рудничного газа и (или) горючей пыли;  II – оборудование, предназначенное для применения во взры- воопасных зонах помещений и наружных установок;  III – оборудование, предназначенное для применения во взры- воопасных пылевых средах. По опасности стать источником воспламенения и условий его применения во взрывоопасных средах оборудование классифициру- ется по уровням взрывозащиты:  особо взрывобезопасный (очень высокий) – оборудование, ко- торое обеспечивает необходимый уровень взрывозащиты даже при маловероятных отказах. Остается функционирующим при наличии взрывоопасной среды. При отказе одного средства защиты взрыво- защита обеспечивается вторым независимым средством защиты или необходимый уровень взрывозащиты обеспечивается при двух не- зависимых отказах средств защиты;  взрывобезопасный (высокий) – оборудование обеспечивающее необходимый уровень взрывозащиты и функционирование в нор- мальном режиме работы при одном повреждении;  повышенная надежность против взрыва (повышенный) – обо- рудование, обеспечивающее функционирование только в нормаль- ном режиме работы. 24 Уровни взрывозащищенности электрооборудования имеют в классификации обозначения 2, 1 и 0:  уровень 2 – электрооборудование повышенной надежности против взрыва: в нем взрывозащита обеспечивается только в нор- мальном режиме работы;  уровень 1 – взрывобезопасное электрооборудование: взрыво- защищенность обеспечивается как при нормальных режимах рабо- ты, так и при вероятных повреждениях, зависящих от условий экс- плуатации, кроме повреждений средств, обеспечивающих взрыво- защищенность;  уровень 0 – особо взрывобезопасное оборудование, в котором применены специальные меры и средства защиты от взрыва. Методы обеспечения взрывобезопасности оборудования. Все известные и применяемые на практике методы защиты направлены на уменьшение риска взрыва до приемлемого уровня. При этом ес- ли система сконструирована правильно, то единичная неисправ- ность в любом ее компоненте не должна приводить к возникнове- нию взрыва. В общем случае все методы обеспечения взрывозащи- ты можно условно разделить на группы: а) методы взрывозащиты, направленные на снижение веро- ятности возникновения электрической искры; б) методы взрывозащиты, направленные на изоляцию элек- трических цепей от взрывоопасных смесей. Метод подразумевает заключение электрических цепей в специальные оболочки, запол- ненные газообразным, жидкостным или твердым диэлектриком так, чтобы взрывоопасная смесь не находилась в контакте с электриче- скими цепями; в) методы взрывозащиты, направленные на сдерживание взрыва. Данный метод подразумевает, что электрические цепи по- мещены в специальную прочную оболочку с малым зазором. При этом не исключается контакт электрических цепей с взрывоопасной смесью и возможность ее воспламенения, но при этом гарантирует- ся, что оболочка сдерживает возникшее в результате взрыва избы- точное давление, т.е. вспышка не выходит за пределы ограничений взрывонепроницаемой оболочки. Поскольку раскаленные газы имеют различную проникающую способность, то здесь принимают- ся во внимание подгруппы газов. По данному методу реализована взрывозащита вида d (взрывозащитная оболочка). 25 В существующей классификации категории взрывоопасности смеси ССEx в ГОСТ предусмотрены две категории: I и II. Категория I определяет требования к оборудованию, предназначенному для ра- боты в шахтах и рудниках, где имеется опасность взрыва рудничного метана. К категории II относится оборудование, применяемое для работы в условиях возможного образования промышленных взрыво- опасных смесей газов и пыли. Существуют три подкатегории катего- рии II: IIA, IIB, IIC. Каждая последующая подкатегория включает (может заменить) предшествующую, то есть, подкатегория С являет- ся высшей и соответствует требованиям всех категорий – А, В и С. Она, таким образом, является самой «строгой». В системе NEC и CEC предусмотрена более расширенная клас- сификация взрывоопасных смесей газов и пыли для обеспечения большей безопасности по классам и подгруппам (табл. 3.1). Так, например, для угольных шахт электрооборудование изготавливает- ся с двойной маркировкой: Class I Group D (для метана); Class II Group F (для угольной пыли). Таблица 3.1 Характеристики взрывоопасных смесей ВЗРЫВООПАСНЫЕ СМЕСИ КЛАССИФИКАЦИЯ АППАРАТУРЫ ATEX, ГОСТ NEC, CEC Метан Группа I (шахты) Class I Group D Ацетилен Группа IIC Class I Group A Водород Группа IIC Class I Group B Этилен Группа IIB Class I Group C Пропан Группа IIA Class I Group D Металлическая пыль Группа II Class I, Group E Угольная пыль – Class II Group F В соответствии с директивой Евросоюза 94/9/EC с 1 июля 2003 года введен новый стандарт взрывозащищенного оборудо- вания АТЕХ (ATmospheres Explosibles – взрывоопасные смеси га- зов), вместо CENELEC. Требования АТЕХ распространяются на механическое, электрическое оборудование и защитные средства, которые предполагается использовать в потенциально взрывоопас- ной атмосфере, как под землей, так и на поверхности земли. В стан- 26 дарте АТЕХ ужесточены требования стандартов EN50020/EN50014 в части IS (Intrinsically Safe) оборудования. Классификационную маркировку взрывозащищенного оборудо- вания по АТЕХ рассмотрим на примере, приведенном в табл. 3.2. Таблица 3.2 Маркировка взрывозащищенного оборудования Область применения оборудования Маркировка взрывобезопасности оборудования 1 2 3 4 5 6 7 8 II 1 G EEx ia IIB T3 В таблице 3.2 выделены 8 столбцов, в соответствии с маркиров- кой, каждый столбец обозначает следующее. 1. Взрывозащищенное оборудование имеет сертификаты одной из испытательных лабораторий стран ЕС. Ex в шестиграннике – маркировка взрывозащищенного оборудования по АТЕХ. 2. Область применения: I – подземные выработки (шахтное); II – наземное применение (хим.индустрия, НХЗ, НПЗ и т.п.). 3. Категория зоны: 0 – постоянное присутствие взрывоопасных веществ (более 1000 ч в год). Используется при частом возникновении взрывоопас- ных или воспламеняющихся концентраций опасных газов или сме- сей (газов, взвесей); 1 – частое: 10–1000 ч в год. Используется при возникновении взрывоопасных или воспламеняющихся концентраций опасных га- зов или смесей (газов, взвесей) лишь время от времени (при аварий- ных ситуациях); 2 – краткосрочные: менее 10 ч в год. Используется при редких случаях возникновения аварийных ситуаций. 4. Окружающая атмосфера: G – газ; D – пыль (для горючих пылей, волокон и взвесей). 5. Е – согласно евронормам (требования CENELEC); Ex – взрывозащищенное оборудование. 27 6. Классификация видов защиты: d – взрывонепроницаемая оболочка; e – защита вида «е» (повышенная); о – масляное заполнение; р – заполнение или продувка оболочки под избыточным давле- нием; q – кварцевое заполнение; m – заполнение компаундом; i – искробезопасная электроцепь: (данный тип взрывозащиты га- рантирует, что опасная ситуация не может возникнуть в результате искры (при коротком замыкании), либо в случае внезапного обрыва цепи питания (энергия внутренней индуктивности прибора), либо в результате нагрева токонесущих проводов); ia – опасная ситуация не может возникнуть при нормальной экс- плуатации при помехах на линии и при любой комбинации двух возможных неисправностей; ib – опасная ситуация не может возникнуть при нормальной экс- плуатации, при помехах на линии и одной неисправности. 7. Область применения: I – подземные работы; II – наземное применение; 8. Температура воспламенения: Температурный класс электрооборудования определяется пре- дельной температурой в градусах Цельсия, которую могут иметь при работе поверхности взрывозащищенного оборудования: T1 > 450 °С; T2 = 300–450 °С; T3 = 200–300 °С; T4 = 135–200 °С; T5 = 100–135 °С; T6 = 85–100 °С. Режимы работы электрооборудования горных машин. Под термином «режим работы» понимается график нагрузки машины с учетом продолжительности и порядка чередования. Применительно к двигателям забойных машин и механизмов режимы их работы зависят не только от назначения, принципа действия машины и тех- нологического процесса, но в значительной мере от организации труда и квалификации лиц, обслуживающих машину. Поэтому для 28 надежной работы двигателей и других элементов ЭП, а так же ГМ в целом необходимо знать режимы работы, для которых они спроек- тированы. Различают следующие номинальные режимы работы электрооборудования: S1 – продолжительный режим (поставляется по умолчанию); S2 – кратковременный режим работы с длительностью периода неизменной номинальной нагрузки 10, 30, 60, и 90 мин (если в стандартах или технических условиях не установлена иная); S3 – повторно-кратковременный режим с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60 %: продолжительность одного цикла 10 мин (если в стандартах или технических условиях не установле- на иная); S4 – повторно-кратковременный режим с частными пусками с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60 %;числом включений в час 30, 60, 120 и 240 (если в стандартах или техниче- ских условиях не установлено иное) при коэффициенте инерции F1 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4,0; 6,3 и 10; S5 – повторно-кратковременный режим с частными пусками и электрическим торможением с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60 % числом включений в час 30, 60, 120 и 240 (если в стандартах или технических условиях не установлено иное) при коэффициенте инерции F1 1,2; 1,6; 2,0; 2,5 и 4,0; S6 – перемежающийся режим с продолжительностью нагрузки (ПН) 15, 25, 40 и 60 %; продолжительность одного цикла принима- ют равной 10 мин (если в стандартах или технических условиях не установлена иная); S7 – перемежающийся режим с частными реверсами при элек- трическом торможении с числом реверсов в час 30, 60, 120 и 240 (если в стандартах или технических условиях не установлено иное) при коэффициенте инерции F1 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; и 4,0; S8 – перемежающийся режим с двумя или более частотами вра- щения с числом циклов в час 30, 60, 120 и 240 (если в стандартах или технических условиях не установлено иное) при коэффициенте инерции F1 1,2; 1,6; 2,0; 2, 5 и 4,0; S9 – продолжительность нагрузки на каждой частоте вращения устанавливается по согласованию между потребителем и изготови- телем. Допускаются другие номинальные режимы работы или ис- пользование электрических машин в нескольких режимах работы, 29 что должно устанавливаться в стандартах или технических услови- ях на отдельные виды машин. Классификация степеней защиты, обеспечиваемой оболоч- ками, в которые помещается электрооборудование, их код IP уста- новлены ГОСТ 14254, там же изложены требования для каждого обозначения, приведены методы контроля и испытаний оболочек. Требования стандарта распространяются на электрооборудование напряжением не более 72,5 кВ. По степени защиты персонала от соприкосновения с токоведу- щим или движущимися частями, находящимися внутри машины, и попадания твердых посторонних тел и воды внутрь машины также существуют различные формы исполнения. Обозначение по спосо- бу защиты состоит из латинских букв IP(«International Protection» (международная защита)) и двух цифр, первая из которых (от 0 до 6) указывает на степень защиты персонала от соприкосновения и попадания посторонних предметов внутрь машины, а вторая (от 0 до 8) – на степень защиты от попадания воды. В соответствии с ГОСТ 17494–72 для защиты электрических машин могут приме- няться 15 исполнений от IP00 до IP56. Если первая цифра равна 0, оболочка не обеспечивает защиту ни от доступа к опасным частям, ни от проникновения внешних твердых предметов; 1 – оболочка обеспечивает защиту от доступа к опасным частям тыльной сторо- ной руки, 2 – пальцем, 3 – инструментом, 4, 5 и 6 – проволокой (при первой цифре, равной 1, 2, 3 и 4, оболочка обеспечивает защиту от внешних твердых предметов диаметром больше или равным соот- ветственно 50, 12,5, 2,5 и 1,0 мм; при цифре 5 оболочка обеспечива- ет частичную, а при цифре 6 – полную защиту от пыли). Вторая цифра указывает степень защиты оборудования от вредного воздей- ствия воды, которую обеспечивает оболочка. Если вторая цифра равна 0, оболочка не обеспечивает защиту от вредного воздействия воды; 1 – оболочка обеспечивает защиту от вертикально падающих капель воды; 2 – от вертикально падающих капель воды (когда обо- лочка отклонена на угол до 15°); 3 – от воды, падающей в виде до- ждя; 4 – от сплошного обрызгивания; 5 – от водяных струй; 6 – от сильных водяных струй; 7 – от воздействия при временном (непро- должительном) погружении в воду; 8 – от воздействия при длитель- ном погружении в воду). 30 3.2. Асинхронные машины 3.2.1. Принцип работы и устройство асинхронных машин По сравнению с другими электродвигателями (ЭД), асинхронные двигатели (АД) отличаются простотой, надежностью и меньшей стоимостью. Большинство механизмов горных машин приводится в движение АД. Трехфазный асинхронный двигатель состоит из неподвижной части (статора) и подвижной части (ротора), разделенных воздуш- ным зазором. В пазы статора укладывается обмотка, состоящая из трех фаз (А, В, С), сдвинутых относительно друг друга на 120 гра- дусов. При подаче напряжения на обмотку статора, по ней начинает протекать ток, создающий круговое вращающееся магнитное поле (Ф). В момент пуска ротор неподвижен. При этом вращающееся магнитное поле, созданное обмотками статора, пересекает обмотку неподвижного ротора с угловой скоростью 0 и наводит в ней ЭДС, под действием которой в обмотке ротора начинают протекать токи. По закону Ленца эти токи стремятся своим магнитным полем ослабить вызвавшее их магнитное поле. Механическое взаимодей- ствие токов ротора с вращающимся магнитным полем приводит к тому, что ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и магнит- ное поле со скоростью  . В установившемся номинальном режиме скорость вращения ротора составляет (0,99–0,95) 0 . Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник статора набирают из тонких штампованных листов (0,5 мм) электротехни- ческой стали. Собранный сердечник статора закрепляют в корпусе. В пазы статора закладывают обмотку из медной проволоки. Фазо- вые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником», для чего все «начала» и «концы» обмоток выво- дятся на специальный изоляционный щиток, расположенный на корпусе. Ротор АД, подобно статору, набирается из штампованных листов электротехнической стали. В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с ко- роткозамкнутым ротором (КЗР) и фазным ротором (ФР). Общий вид асинхронной машины с КЗР приведен на рис. 3.2. 31 Рис. 3.2. Общий вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором [7]: 1 – станина; 2 – сердечник статора; 3 – обмотка статора; 4 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 5 – вал Обмотка КЗР сделана из медных стержней, закладываемых в па- зы ротора. Торцы стержней соединены при помощи кольца (корот- козамыкающего). Такая обмотка называется обмоткой типа «бели- чьей клетки» В машинах с мощностью до 100 кВт стержни обычно изготавливаются путем заливки ротора алюминием. Фазные роторы (рис. 3.3) применяются в АД для улучшения пусковых и регулиро- вочных свойств. На роторе укладывается трехфазная обмотка. Фазы обмотки соединяются «звездой» и концы их присоединяются к трем контактным кольцам (4), насаженным на вал и электрически изоли- рованным как от вала, так и друг от друга. С помощью щеток (5), находящихся в скользящем контакте с кольцами (4), имеется воз- можность включать в цепи фазных обмоток регулировочные рео- статы. 3.2.2. Схемы замещения АМ В АМ скорость вращения магнитного поля ( pf0 , рад/сек) и скорость вращения ротора ( ) различны. Относительная разность скоростей вращения поля и ротора называется скольжением s: 0 0   s . (3.1) 32 Рис. 3.3. Асинхронный двигатель с фазным ротором [10]: 1 – станина; 2 – сердечник статора; 3 – ротор; 4 – контактные кольца; 5 – щеткодержатель со щетками На рис. 3.4 представлена физическая схема замещения статорной и роторной цепей АМ, где x1, r1 – индуктивное и активное сопро- тивления обмотки фазы статора; x2, r2 – индуктивное и активное сопротивления фазы ротора; Фб1, Фб2 – магнитный поток рассеяния статора и ротора соответственно; Е1 – ЭДС, наведенная в статоре потоком Ф; Е2 – ЭДС, наведенная в роторе потоком Ф; Ф – магнит- ный поток в воздушном зазоре между статором и ротором. Схема замещения составляется всегда для одной фазы. Рис. 3.4. Физическая схема замещения первичной и вторичной цепи АМ E1 Uф x1 x2 Фб2 r2 Фб1 r1 Ф Е'2 33 Uф Для упрощения математического описания электромагнитных процессов, происходящих в АМ, на основании физической схемы замещения составляют Т-образную схему замещения АМ. Эта схе- ма составляется по определенным правилам. Ротор реальной АМ вращается, и для приведения схемы замещения АМ к неподвижно- му ротору (для учета вращения ротора в расчетах), во вторичную цепь вводится добавочное активное сопротивление r2’(1 – s)/s. Пол- ная Т-образная схема замещения АМ приведена на рис. 3.5. Здесь r2’, x2’ – активное и индуктивное сопротивления фазы обмотки ро- тора, приведенные к обмотке статора согласно выражениям: ieieie kIIEkErkkrxkkx 22222222 ';';';'  , где ie kk , – коэффициенты трансформации АМ по ЭДС и току; rm, xm – параметры намагничивающей цепи схемы замещения. Рис. 3.5. Т-образная схема замещения АМ С помощью Т-образной схемы замещения можно найти точные расчетные формулы для всех величин, характеризующих электро- магнитные процессы в машине. Однако в ряде случаев в практиче- ских инженерных расчетах, Т-образную схему целесообразно пре- образовать в эквивалентную ей Г-образную схему замещения. На рис. 3.6 приведена Г-образная схема замещения АМ. Im r1 1x / 2x r2 ’ s s r 1/ 2 mx mr I1 - '2I 34 Рис. 3.6. Г-образная схема замещения АМ Параметры Г-образной и Т-образной схем замещения связаны следующими соотношениями: 111 rCR  ; '111 xCX  ; '' 2 2 2 rCR  ; '' 2 2 2 xCX  , где mZZС 11 – коэффициент преобразования Т-образной схемы замещения в Г-образную. Обычно коэффициент С находится в пре- делах 1,05–1,25. 3.2.3. Механическая характеристика АМ Весьма важным показателем, характеризующим свойства двига- теля, является его механическая характеристика. Механической ха- рактеристикой называется зависимость, связывающая момент, раз- виваемый двигателем (М) и угловую скорость ( ) электродвигате- ля (ЭД). Для асинхронной машины механическая характеристика может быть представлена также зависимостью момента М от скольжения (s) . Положение точки на плоскости (М,  ) характери- зует режим работы ЭД (рис. 3.7). Zm = rm+ jxm Z1 = r1 + jx1 Uф -I2'' R1 R2 ’/ s` X2’ X1 35 Рис. 3.7. Области режимов работы ЭД в плоскости ( ,M ) Электрические машины (ЭМ) обладают свойством обрати- мости – они могут работать как в двигательном, так и в генератор- ном режимах. Характеристика, соответствующая номинальным данным ЭД, называется естественной. Если же хотя бы один из па- раметров отличается от номинального, характеристика называется искусственной. На основании Г-образной схемы замещения (рис. 3.6) получаем выражение для тока I2'’ ( 22 ' ICI  ): 2 2 ' 1 22 1 ф 2 )() ' ( XX s R R U Z U I ф    . (3.2) Подставив (3.2) в выражения для мощности и момента АМ s R IP ' )'( 222мэл  , 0 элм   P M , получим уравнение механической ха- рактеристики асинхронной машины (3.3). Двигательный режим 0M ; 0 , 0MP Генераторный и тормозные режимы 0М ; 0 0MP Двигательный режим (реверсивный) 0М ; 0 0MP Тормозной режим 0M ; 0 , 0MP  М 36 s R XX s R R U s RI M ' )() ' ( 3')(3 2 2 2' 21 22 1 ф 00 2 2 2                     = (3.3) . )() ' ( ' 3 2' 21 22 10 22 ф           XX s R R s R U Механическая характеристика АМ имеет вид, представленный на рис. 3.8. Рис. 3.8. Механическая характеристика АМ –sк Мкг M ω –s 1 2 3 4 s = 0 sк 0 Мн Мп Ммах (Мк) Двигательный режим Генераторный режим 5 37 Устойчивая работа АД возможна на участке характеристики, за- ключенной в пределах от s = 0 до s = sк. При работе на этом участке всякое увеличение нагрузки вызовет снижение скорости вращения и будет сопровождаться увеличением крутящего момента двигателя. Когда момент двигателя станет равным моменту нагрузки, даль- нейшее снижение скорости прекратиться. В теории электропривода, при питании АД от сети с неизменной частотой, используют упрощенную Г-образную схему, принимая С = 1 (коэффициент перевода Т-образной схемы замещения в Г-образную). При этом параметры Т-образной и Г-образной схем замещения становятся численно равными. Механическая характеристика АМ имеет два максимума: в гене- раторном и в двигательном режиме. Рассмотрим ее характерные точки: 1) 0;0;0   Ms – режим идеального холостого хода; 2) ;номss  М = Мном – номинальный режим работы; 3) кк; MMss  – критическая точка двигательного режима (критический момент Мк также называют максимальным (Mmax) или опрокидывающим); 4) пп IIIsMMM  кз1кз ;0;1; – точка пуска (мо- мент короткого замыкания), где Мn, In – пусковые момент и ток; Мкз, Iкз – момент и ток короткого замыкания; 5) кss  ; М = Мкг – критическая точка генераторного режима. Величину критического скольжение можно найти, решив урав- нение 0 ds dM : 2 1 2 211 2 к )'( ' RXXR R s   . (3.4) Для упрощения расчетов и построения механической характери- стики используют формулу Клосса (без учета активных сопротив- лений статора): 38 s s s s M M к к к2   , (3.5) где к 2 к ' X R s  – критическое скольжение, соответствующее крити- ческому моменту Mк (Ммах): к0 2 ф к 2 3 X U M   ; (3.6) '21к XXX  . Следует отметить, что в двигательном и генераторном режиме численные значения критического скольжения |sк| одинаковы (со- гласно выражению 3.4), а моментов разные (3.6). Асинхронная машина характеризуется: – коэффициентом перегрузочной способности 2,27,1 ном м  M M k п ; – кратностью пускового момента 8,17,0 ном м п  M M k ; – кратностью пускового тока 0,75,5 н1 1п п  I I k i . 3.2.4 Способы регулирования частоты вращения АМ Согласно выражению (3.1), учитывая pfn 600  , запишем: psfn )1(60  , (3.7) где n – скорость вращения ротора (об./мин). Из выражения (3.7) следует, что частота вращения АД может быть изменена тремя способами: изменением скольжения, измене- 39 нием числа пар полюсов, изменением частоты сети. На практике нашли применение следующие способы регулирования частоты вращения АМ. 1. Введением добавочных сопротивлений в цепь ротора R2’Σ. Ос- новное достоинство – простота реализации. При этом 0 =const, sк увеличивается, Мк = const (согласно выражениям (3.4)–(3.6)). Плав- ность регулирования определяется плавностью изменения величи- ны дополнительного резистора (рис. 3.9). Рис. 3.9. Регулирование скорости вращения АД введением добавочного сопротивления в цепь ротора R2'доб, R2’доб1 < R2’доб2 Этот способ регулировании частоты вращения применяется ко- гда требуется небольшой диапазон регулирования скорости и рабо- та на пониженных скоростях непродолжительна (ЭП подъемно- транспортных машин и механизмов). C помощью введения R2’доб также осуществляется ограничение пускового тока. 2. Введением добавочных сопротивлений в цепь статора (R1доб, Х1доб). В основном применяется для АД с КЗР. Согласно выражени- ям (3.4)–(3.6) значения Мк и sк уменьшаются с увеличением Х1доб и R1доб. Этот способ применяется редко для регулирования скорости. В основном этот способ регулирования частоты вращения нашел Mк M ω –s s ω0 s = 0 sк1 sк2 sк3 Mп1 Mп3 Mп2 R1доб 2’ R2доб 2’ R'2доб R2доб’ 40 применение для двигателей, имеющих повышенное скольжение в номинальном режиме. Диапазон регулирования скорости (ωmax/ωmin) составляет приблизительно 1,15–1,2. При введении индуктивных сопротивлений в статор снижается не только КПД двигателя, но и его коэффициент мощности. Согласно вышесказанному, механиче- ские характеристики в этом случае, будут иметь вид, представлен- ный на рис. 3.10. 3. Изменением величины напряжения питания, при неизменной частоте сети переменного тока. В этом случае критическое скольжение sк и скорость ω0 не зависят от напряжения и остаются неизменными при его регулировании, согласно выражениям (3.4)– (3.6), изменяется только величина критического момента АД. Вид механических характеристик показан на рис. 3.11. Рис. 3.10 Рис. 3.11 Способ малопригоден для целей регулирования скорости, так как при уменьшении напряжения резко уменьшается Mк ( 2 кр UМ  ). АД очень чувствителен к перенапряжениям и колебаниям напряже- ния сети. При снижении напряжения до 0,7Uн критический момент достигает 0,49Mн. Особенно это актуально для ЭД, работающим с большим статическим моментом на валу. 4. Изменением частоты. Наиболее перспективный и широко ис- пользуемый способ регулирования скорости АД. Регулирование скорости изменением частоты является бесступенчатым. Это регу- лирование является также более экономным. Частотное управление 41 основывается на законе частотного регулирования (законе Костен- ко) (3.8). н 1 н 1 н 1 M M f f U U  . (3.8) При этом управляя двигателем при ненасыщенной магнитной системе можно сохранить практически неизменными ,cos . Принцип реализации частотного управления основан на соотноше- нии pf10 2 , где f1 – частота источника питания; p – число пар полюсов обмотки статора. Изменяя частоту тока статора можно плавно регулировать скорость вращения ротора в широких преде- лах, что подходит практически для любого механизма. В этом слу- чае регулирование частоты вращения ЭД сводится к регулированию параметров питающей сети. Виды нагрузки определяют различные формы взаимосвязанного статического управления напряжением и частотой. Из всего многообразия статических нагрузок механизмов рассмотрим три основных типа: 1) при постоянном моменте нагрузки: c const,M  const; н 1 н 1  i i f U f f U U (согласно закону Костенко), т.е. в этом случае, для поддержания постоянного момента ЭД необходимо из- менять напряжение на статоре пропорционально его частоте. Для частоты ниже номинальной (f1 < fн ) критический момент АД посто- янен, что обеспечивает неизменную перегрузочную способность двигателя. При частоте f1 свыше fн, когда по техническим условиям напряжение статора не может быть увеличено ( н1н ,const ffUU  ), критический момент Мк снижается (рис. 3.12); 2) для момента нагрузки с «вентиляторным» характером (ча- стотное управление осуществляется при квадратичном статическом моменте)  2нн MM , тогда   2 нн MM . Для чего необ- ходимо соблюдение условия const. 2 11 fU В этом случае механи- ческие характеристики имеют вид, представленный на рис. 3.13; 42 3) для нагрузки с постоянной мощностью Pc = Mcω = const. При управлении АД в этом случае, критический момент изменяется об- ратно пропорционально частоте (рис. 3.14). Рис. 3.12 Рис. 3.13 Рис. 3.14 5. Изменением скорости вращения АМ изменением числа пар по- люсов (применяется в основном для регулирования скорости мно- госкоростных АД с короткозамкнутым ротором). Многие механизмы, выполняющие простые технологические операции, не требуют плав- ного регулирования скорости. К их числу относятся грузовые и пас- сажирские лифты, центробежные сепараторы. Для них достаточно иметь привод с 2,3 ступенями скорости. 1. Выпускаются АД с уложенными на статоре несколькими об- мотками (не связанными друг с другом), имеющими разное число пар полюсов p1 и p2 и, соответственно, разную синхронную угловую скорость: . 2 ; 2 2 2 02 1 1 01 p f p f     2. Выпускаются многоскоростные АД у которых изменение пар полюсов вращающегося магнитного поля достигается за счет изме- нения схемы соединения статорной обмотки (рис. 3.15). Для чего каждая фаза статора разделена на две одинаковые части – полу- обмотки. 43 Рис. 3.15 3. Наиболее часто применяются схемы переключения обмотки статора: треугольник (р1) – двойная звезда (р2) и звезда (р1) – двойная звезда (р2), число пар полюсов p1 = 2p2. В первом случае регулирование частоты вращения происходит с небольшим измене- нием ( 21 15,1 pp  ) мощности. Поэтому часто эту схему переключе- ния называют схемой переключения с постоянной мощностью (рис. 3.16). Рис. 3.16. Схема переключения с постоянной мощностью Во втором случае при переходе от меньшей скорости вращения к большей допустимая мощность увеличивается в 2 раза, но момент остается постоянным 222111  pMpM (схема переключе- ния с постоянным моментом) (рис. 3.17). 44 Рис. 3.17. Схема переключения с постоянным моментом 3.2.5. Способы пуска асинхронных двигателей При пуске АД с короткозамкнутым ротором пусковой ток Iп до- стигает (4–8)Iн. Толчок пускового тока Iп вызывает в сети, к которой присоединяется АД, понижение напряжения. Момент АД пропор- ционален квадрату напряжения (М  U2). Практически понижение напряжения сказывается ещё больше при пуске АД из-за большого пускового тока. Поэтому для крупных АД (или длинных линиях питания), мощности которых соизмеримы с мощностью трансфор- маторных подстанций, необходимо выполнять специальные расче- ты, подтверждающие возможность нормального пуска АД и работы с пониженным U. Установлен специальный ГОСТ 13109–87 на ка- чество электроэнергии, который предусматривает послеаварийное изменение напряжения в промышленной сети в пределах U ≈ ±10 % Uн. Особенно опасно снижение U для электроприводов, которые по условиям эксплуатации должны запускаться под нагрузкой (приводы транспортеров, грузоподъемных устройств). Например, при пуске без нагрузки статический момент транспорте- ра не превышает Mc = (0,2–0,3)Mн; а с нагрузкой Mс ≈ Mн. Если пускается АД большой мощности, напряжение сети может сильно снизиться, и другие потребители (работающие в это время с перегрузкой) могут остановиться. Поэтому пуск АД без применения средств, ограничивающих Iп, допускается лишь в случае, если но- минальная мощность АД не превышает 25 % мощности трансфор- маторов, питающих данную сеть. Если от этого же трансформатора питается осветительная нагрузка, то РнАД не должна превосходить 5 % от мощности трансформаторов. 45 Так как пусковой ток обычно кратковременный, он не представ- ляет опасности для АД в тепловом отношении, если пуски не очень часты и длительность разгона не слишком велика. При частых пус- ках (порядка нескольких сотен в час) или при большой длительно- сти пуска АД могут перегреваться. Поэтому применяют меры для уменьшения Iп: 1) введение реостатов и дросселей в цепь статора (см. 2 в п. 3.2.4). Применение дросселей дает значительно меньшие потери мощности, но уменьшает cosφ установки. Применение таких схем целесообразно для двигателей большой мощности при тяжелых условиях эксплуатации, когда использование сложной пусковой аппаратуры понижает надежность ЭП; 2) введение реостатов в цепь ротора (для АД с ФР, см. 1 в п. 3.2.4). При этом пусковой ток уменьшается до (1,5–2,5)Iн, началь- ный пусковой момент увеличивается. Применение реостатов сопро- вождается потерями мощности в них. Обычно применяют для при- водов главного движения, вспомогательных перемещений. Эти ЭД пускают в ход под значительной нагрузкой, обусловленной силами трения неподвижного механизма. Часто пуск осуществляется сту- пенями; 3) уменьшение напряжения (см. 3 в п. 3.2.4), подводимого к ста- тору (при этом происходит уменьшение пускового момента Мп (М  U2)), что осуществляется следующими способами: а) с помощью автотрансформатора. При уменьшении напряже- ния, подводимого к ЭД, в k раз, пусковой момент снижается в k раз (согласно выражению 3.3). Недостатком метода является сто- имость. Этот метод применяется при значительных мощностях АД. При пуске АД питается пониженным напряжением, а при ω = ωн автотрансформатор отключается и АД получает питание непосред- ственно от сети; б) переключение со звезды на треугольник. Если при нормаль- ной работе обмотка статора ЭД включена по схеме треугольник, то переключение обмоток статора в момент пуска с треугольника на звезду уменьшает напряжение, питающее обмотку статора в 3 , фазные токи в 3 , пусковые моменты в 3 раза. Такое уменьшение момента не всегда приемлемо; 46 4) частотный пуск (см. 4 в п. 3.2.4) осуществляется с помощью преобразователей. В последнее время даже мощные машины с ФР вытесняются из традиционных сфер их применения частотно- управляемыми короткозамкнутыми двигателями, которые имеют меньшие потери, более надежны и экономичны. В настоящее время широкое применение находят «устройства плавного пуска». 3.2.6. Тормозные режимы АМ Тормозные режимы для многих ЭП имеют более важное значе- ние, чем режимы пуска в отношении предъявляемых к ним требо- ваниям надежности и безотказности. Часто требуется точная оста- новка в заданном положении, или торможение привода в течение определённого времени. Для АД используют следующие виды электрического торможения: 1) рекуперативное (генераторное) с отдачей энергии в сеть. Осо- бенностью рекуперативного торможения является то, что оно не обеспечивает остановки двигателя, а лишь ограничивает скорость его вращения. Механическая характеристика АД для этого случая представлена рис. 3.18. При увеличении скорости ротора выше скорости вращения маг- нитного потока, АД переходит в режим генератора. Этот вид тор- можения применяется в подъемных транспортных механизмах – спуск грузов с установившейся скоростью, а также применяется в двигателях с переключением пар полюсов, когда двигатель, работая с меньшим числом пар полюсов и большей скоростью n1, переклю- чили на большее число пар полюсов, тогда его скорость уменьшает- ся, согласно выражению 22 pfn  . В этом случае осуществляется генераторное торможение до установившейся скорости – n2 (от точ- ки А до точки В – тормозной режим); 2) противовключение. Осуществляется сменой чередования фаз обмотки статора (рис. 3.19). Смена чередования фаз означает смену направления вращения поля статора. В этом случае ротор вращается в сторону, противоположную направления вращения поля статора. Когда скорость АД достигает нулевого значения (от точки А до точ- ки В – тормозной режим), необходимо отключить его от сети для избежания реверса. Недостатком тормозных характеристик проти- 47 вовключения является их большая крутизна и значительные потери энергии, которая полностью превращается в теплоту, рассеиваемую во вторичной цепи двигателя. Вследствие большой крутизны меха- нических характеристик возможны большие колебания скорости привода при незначительных изменениях нагрузки; Рис. 3.18. Рекуперативное торможение Рис. 3.19. Торможение противовключением 3) динамическое торможение. Осуществляется путем отключе- ния статора АД от сети и подачей на две фазы статора постоянного тока от постороннего источника. При этом АД работает как син- хронный генератор, вырабатывающий электроэнергию, которая об- ращается в тепло в цепи ротора. Этот вид торможения применяется в подъемно-транспортных и в станочных приводах (рис. 3.20); 4) торможение конденсаторное. АД отключают от сети. На об- мотку статора подключаются конденсаторы. При достижении рото- ром определенной скорости (с учетом которой рассчитаны конден- саторы) наступает самовозбуждение и машина переходит в режим генератора. В этом случае не требуется внешнего источника элек- троэнергии. Для осуществления торможения при различных скоро- стях необходим определенный набор конденсаторных батарей. В последнее время этот вид торможения применяется все чаще (рис. 3.21). В А n –n1 М Мс n В А n2 n1 М 48 Рис. 3.20. Динамическое торможение, I1T > I2T Рис. 3.21. Конденсаторное торможение, С2 > С1 Все тормозные режимы применяются для АМ с короткозамкну- тым ротором и фазным ротором. В связи с использованием мощных силовых полупроводниковых приборов появились новые схемы реализации типовых тормозных режимов асинхронных приводов. Повышение эффективности торможения можно достичь приме- нением комбинированных способов его реализации. Следует отме- тить, что большинство комбинированных способов торможения яв- ляются полностью управляемыми. Это еще больше увеличивает их эффективность. Наиболее эффективными являются: противовклю- чение и конденсаторно-динамическое торможение. Конденсаторно - динамическое торможение имеет много схемных решений и реко- мендуется для приводов с большим моментом инерции J, например превышающий двукратный момент инерции ЭД. Для отдельных приводов применяется двух ступенчатое торможение (противо- включение – динамическое торможение) и трех ступенчатое тор- можение: конденсаторное торможение, динамическое и магнитное торможение. Комбинированные способы торможения оказываются эффектив- ными для получения полной остановки привода. С M ω С2 С1 M ω IT2 IT1 > + IТ 49 3.2.7. Асинхронные машины, применяемые для электроприводов горных машин На предприятиях горной промышленности применяются элек- тродвигатели различного исполнения в зависимости от условий эксплуатации: от нормального исполнения до взрывозащищенного. В соответствии с особенностями эксплуатации горного оборудова- ния основное количество используемых АД являются взрывозащи- щенными. Двигатели во взрывозащитном исполнении надежно ра- ботают в достаточно экстремальных условиях очень длительное время (cрок эксплуатации до 30 лет). Все электродвигатели могут быть адаптированы для управления от преобразователя частоты и включать в себя самый широкий набор опций, аксессуаров и испол- нений. При разработке двигателей основное внимание уделяется высокому КПД и малошумности, защищенным от коротких замы- каний и надежными кабельными соединениями, удобству в обслу- живании и долговечности. Взрывозащищенные двигатели произво- дятся в соответствии с ТУ 3341-008-72453807-07 с КПД 85–95 % и повышенной точностью установочных и присоединительных раз- меров. Применение таких ЭД позволяет обеспечивать длительную работу машин при отклонениях напряжения от номинального ±10 %, эксплуатировать двигатели без снижения нагрузки в сетях с существенными колебаниями напряжения, а также при значитель- ном колебании температуры окружающей среды. Установка кон- трольных датчиков позволяет измерять и отслеживать изменения вибрации, температуры, тока двигателя и скорости вращения вала, температуру тормозов и опорных подшипников, выявлять износы электромеханических узлов и состояния смазочных материалов в режиме реального времени. Постоянный мониторинг состояния двигателя позволяет выявить неисправности на ранней стадии их возникновения, снизить затраты на техническое обслуживание и дорогостоящий ремонт, свести процент аварийности к минимуму. Взрывозащищенные двигатели предназначены для использова- ния в качестве приводов различных механизмов, в местах эксплуа- тации которых, по технологии производства возможно образование взрывоопасной концентрации газов, паров и пыли – горнодобыва- ющая промышленность, среднее машиностроение (АЭС, обогати- тельные фабрики), добыча и транспортировка нефти и газа, нефте- 50 перерабатывающие заводы, химические заводы, черная и цветная металлургия, оборонная промышленность, энергетика, котельное хозяйство, водоснабжение, канализация и утилизация отходов, мор- ской и речной транспорт. Взрывозащищенные двигатели выпускаются: односкоростные с числом полюсов 2, 4, 6, 8 и многоскоростные с числом полюсов 2/4, 2/8, 4/6, 4/8, 4/12, 4/16, 6/8, 6/12, 6/16. В соответствии с ГОСТ 8865–70 изоляционные материалы раз- делены на классы нагревостойкости: У, А, Е, В, F, Н, С. Для изоля- ции асинхронных двигателей общего назначения обычно применя- ются четыре класса – Е, В, F, Н – с допустимыми температурами изоляционного материала 120, 130, 155, 180 °С соответственно. Обозначение способа охлаждения АМ состоит из латинских букв IC, следующей за ними прописной буквы, обозначающей вид, и цифрового индекса, который указывает тип цепи для циркуляции хладоагента и способ его перемещения (например: IC410 – пассивное воздушное охлаждение, IC411 – воздушное охлаждение с помощью вентилятора). Условное обозначение двигателя по форме исполнения и спосо- бу монтажа состоит из латинских букв IM и четырехзначного чис- лового индекса, первая цифра которого (от 1 до 9) определяет кон- структивное исполнение, вторая и третья (от 00 до 99) – способ монтажа, четвертая (от 0 до 9) – условное обозначение конца вала (например: IM 1081 – на лапах с двумя подшипниковыми щитами с одним цилиндрическим концом вала; IM 2081 – то же, что и IM 1081, но с фланцем на подшипниковом щите; IM 3081 – без лап с двумя подшипниковыми щитами, фланцем на подшипниковом щите и одним цилиндрическим концом вала со стороны привода). В табл. 3.3 приведены основные типы АД, применяемых для ЭП горной техники. Структура условного обозначения: АИММ 160 M2 У2,5: АИММ – обозначение серии; 160 – высота оси вращения (габарит), мм; S, М, L – установочный размер по длине станины; А, В – длина сердечника статора (отсутствие буквы обозначает только одну длину сердечника); 2, 4, 6 – число полюсов; У, УХЛ, Т, ОМ – климатическое исполнение по ГОСТ 15150–69; 2,5 – категория размещения по ГОСТ 15150–69. Таблица 3.3 Основные типы асинхронных машин, применяемых для ЭП горной техники Вид Характеристики Применение АИМ, АИМР АД с КЗР взрывозащищенные, закрытые во взрыво- непроницаемой оболочке с наружным обдувом и охла- ждаются воздухом от собственного вентилятора. Сте- пень защиты: коробки выводов от внешних воздействий, соответствует IР 54; способ охлаждения: IСА 0141 по ГОСТ 20459–75. Маркировка взрывозащиты: 1ExdeIIBT4 / 2ExdeIICT4, 1ExdIIВТ4, 1ExdIICT4, 1ExdIIBT4 / 2ExdIICT4 по ГОСТ 12.2.020–76 Для работы в качестве при- вода стационарных машин и механизмов во взрыво- опасных производствах хи- мической, газовой, нефтепе- рерабатывающей, угольной и других отраслей промыш- ленности АИУМ, АИМM АД с КЗР взрывозащищенные с повышенными энерго- механическими характеристиками. Исполнение по взры- возащите: АИММ225 М4 – 1ExdIIBT4; АИУМ225 М4; АИУМ225 МС4 – РВ-3В. Вид климатического исполне- ния: АИУМ – У5; АИММ – У2. Конструктивное испол- нение по способу монтажа: АИУМ225М, АИММ225M – IM 1001, M 9701; АИУМ225 МС4 – IM 4001. Степень защиты: корпуса и коробки выводов – IP54, кожуха наружного вентилятора – IP20. Способ охлаждения: ICA 0141. Режим работы: S1, от сети переменного тока частотой 50 Гц. Для двигателей АИУМ225 МС допуска- ется режим работы, отличный от режима S1. Структура условного обозначения АИУМ225 МС4: АИУМ – обозначение серии; 225 – высота оси враще- ния, мм; М – условная длина станины; С – специаль- ная (для скребковых конвейеров), 4 – число полюсов АИУМ225 предназначены для эксплуатации в подзем- ных выработках угольных и сланцевых шахт, опасных по метану и угольной пыли; АИММ225 – во взрыво- опасных зонах помещений и наружных установок 5 1 Продолжение табл. 3.3 Вид Характеристики Применение ВАО2, ВАО3, ВАОУ АД с КЗР взрывозащищенные. Серии ВАО2 имеют исполнения по взрывозащите РВ-4В (Exdl), 1ExdIIВТ4, серии ВАОУ – РВ-4В (ExdI). Вид клима- тического исполнения: У2; Т2; ХЛ2; У5; Т5. Кон- структивное исполнение по способу монтажа: IM 1001, режим работы S1. Степень защиты: корпуса и коробки выводов – IP 54, изоляция класса нагрево- стойкости F и H. Структура условного обозначения ВАО4-450 S6, BAОУ-450 LB6: ВАО – взрывозащи- щенный асинхронный обдуваемый; 2,3 – номер се- рии; У – для углесосов; 450, 560, 630 – габарит (вы- сота оси вращения, мм); S, M, L, LA, LB – условная длина станины; 4, 6, 8 – число полюсов Для привода стационарных машин и механизмов (насо- сов, вентиляторов, компрес- соров и др.) во взрывоопас- ных зонах шахт, рудников и в их наземных строениях опасных по рудничному газу, горючей пыли, а также категорийных помещениях согласно ПУЭ ВАО4 АД с КЗР взрывозащищенные. Для режима работы S1 от сети переменного тока напряжением 6 кВ (10 кВ), частотой 50 Гц. Исполнения по взрывозащи- те: ExdIIBT4 или PB-4B (ExdI). Вид климатического исполнения: У2; У5; Т2; Т5. Степень защиты: корпу- са и коробки выводов – IP 54; кожуха наружного вентилятора – IP 20. Структура условного обозначе- ния ВАО4-450 SH6: ВАО – взрывозащищенный асинхронный обдуваемый; 4 – номер серии; 450 – га- барит, мм; S, M, L, LA, LB, LH, SH, МН – условная длина станины (H – повышенные энергетические параметры); 2, 4, 6, 8 – число полюсов Для привода стационарных машин и механизмов в шах- тах, опасных по газу и пыли, а также во взрывоопасных зонах помещений и наруж- ных установок 5 2 Продолжение табл. 3.3 Вид Характеристики Применение ВАО4К, ВАОК4 АД с ФР обдуваемые взрывозащищенные (крупные). Изоляционные материалы обмотки статора класса нагревостойкости F. Степень защиты корпуса и ко- робки выводов: IP 54 Исполнение по взрывозащите: ВАО4К-450 РВExdI или PB-3B; ВАО4К-560 РВЕхdI или РВ-4В. Климатическое исполнение: У2; У5; Т2; Т5. Монтажное исполнение: IM1001 на лапах. Режим работы: S1 от сети частотой 50 Гц. Для электродвига- телей ВАО4К-450L8, ВАОК4-450 L8 возможен режим работы S8. Структура условного обозначения: ВАО4К-450 S-6У2: ВАО – взрывозащищенный асин- хронный обдуваемый, 4 – номер серии, К – с фазным ротором, 450 – высота оси вращения, мм, S – условная длина станина, 6 – число полюсов, У2 – климатиче- ское исполнение Структура условного обозначения ВАОК4-450 L8 У2: ВАОК – взрывозащищенный асинхронный обдувае- мый с контактными кольцами; 4 – четвертая серия; 450, 560 – габарит (высота оси вращения, мм), S, L, M, LA, LB – условная длина станины, 6, 8 – число полю- сов; У2 – климатическое исполнение Для работы в качестве при- вода механизмов, требую- щих плавного пуска: шахт- ных подземных лебедок, подъемных машин, ленточ- ных конвейеров, а также для комплектации двухдвига- тельных приводов. В шах- тах, опасных по газу и пыли, а также во взрывоопасных зонах помещений и наруж- ных установок, где могут образовываться взрывоопас- ные смеси газов, паров или пыли с воздухом, отнесен- ные по взрывоопасности к категории llА и группам воспламеняемости Т1, Т2, Т3, Т4 5 3 5 3 Продолжение табл. 3.3 Вид Характеристики Применение ВАО 7 АД с КЗР взрывозащищенные обдуваемые. Исполне- ния по взрывозащите: 1ExdIIBT4; PBExdI; PB4B Конструктивное исполнение по способу монтажа: IM 1001. Способ охлаждения: ICA 0151 – ВАО7А- 560-4,6,8; ВАО7А-560 LA,LB-2; ВАО7А-630; ВАО7М-630 ICA 0141 – ВАО7А-450; ВАО7А-560 S,M-2. Вид климатического исполнения: У2; У5; Т2; Т5. Степень защиты: корпуса и коробки выводов – IP 54. Изоляционные материалы обмотки статора класса нагревостойкости: F. Режим работы: S1 Для работы в шахтах, опас- ных по газу и пыли, а также во взрывоопасных зонах по- мещений и наружных уста- новок Электродвигатели комплектуются прибором контроля температуры ВАCО АД с КЗР взрывозащищенные обдуваемые верти- кальные специальные. Исполнение по взрывозащите: 1ExdеIIBT4 (ExdеIIBT4). Вид климатического ис- полнения: У1, ХЛ1, Т1. Конструктивное исполнение по способу монтажа: M9633. Степень защиты: IP54. ВАСО4-13-12. Класс нагревостойкости изоляции: F. Исполнение по взрывозащите: 1ExdllBT4. Для рабо- ты от сети переменного тока напряжением 380 В (режим работы S1) Для безредукторного приво- да аппаратов воздушного охлаждения. ВАСО4-13-12 – в местах, где возможно об- разование взрывоопасных смесей газов, паров или пы- ли с воздухом, отнесенных по взрывоопасности к кате- гориям 11А, 11В, группам Т1, Т2, ТЗ, Т4 5 4 Продолжение табл. 3.3 Вид Характеристики Применение В, 2В, 3В, ВР АД с КЗР взрывобезопасные. Исполнение двигателей по уровню и виду взрывозащиты: 1ЕХДIIВТ4, РВ- 3В. Степень защиты электродвигателей и коробок выводов: IР54, вентиляторов наружного обдува со стороны входа воздуха: IР20; выхода: IР10 Для работы в качестве при- вода стационарных машин и механизмов во взрывоопас- ных производствах уголь- ной и других отраслей про- мышленности. ВР – для привода стацио- нарных и передвижных за- бойных машин и механиз- мов, применяемых в уголь- ных и сланцевых шахтах, помещениях и наружных установках, опасных по газу (метану) и угольной пыли ВРК280 Трехфазные АД с ФР (с контактными кольцами), взрывозащищенные. Исполнение двигателей по взрывозащите: РВ 3В (Exdl); изготавливаются на напряжение 380/660, 400, 415, 440, 500 В переменно- го тока частотой 50 Гц (380/660, 440 и 500 В – при частоте 60 Гц). Степень защиты двигателей: IP54. Класс нагревостойкости изоляции обмотки статора: F и H. Режим работы: S1 и S8 (с двумя частотами вра- щения nном и 0,1nном) Для обеспечения работы стационарных машин и ме- ханизмов в шахтах, опасных по газу и пыли 5 5 Продолжение табл. 3.3 Вид Характеристики Применение ВРМ280S4, 2ВР2М280S4 3ВР Трехфазный АД с КЗР для эксплуатации от трехфаз- ной сети переменного тока частотой 50 Гц и 60 Гц на напряжение 380/660 В с синхронной частотой враще- ния 3000 об./мин. Исполнение по взрывозащите: РВ3В (Exdl). Исполнение по способу монтажа: IM4001. Дви- гатели 3ВР предназначены для работы от сети трех- фазного переменного тока частотой 50 и 60 Гц, напряжением 380, 660 и 1140 В. Режим работы: S1 ВРМ280S4, 2ВР2М280S4 – для привода стационарных вентиляторов местного про- ветривания; ВМЭ2-10, 3ВР – для привода различных ма- шин и механизмов (насосов, вентиляторов) в угольных и сланцевых шахтах, опасных по газу, угольной пыли АИР 90 LA8 АД с КЗР, искробезопасный Применяются в условиях, где могут образоваться взрывоопасные смеси воз- духа и горючего газа и тре- буется повышенная защита механизмов АИУ180М2 IM2081 АД с КЗР, взрывозащищенный. Маркировка взрыво- защиты: РВ ЗВ. По способу монтажа по ГОСТ 2479: на лапах – IM1081; на лапах с фланцем – IM2081; без лап с фланцем – IM3081. Для работы от сети трех- фазного переменного тока частотой 50 и 60 Гц, на одном из стандартных напряжений от 220 В до 660 В. Режим работы: S1, допускается работа двига- телей в режимах S2, S3, S4 Для привода стационарных машин во взрывоопасных производствах угольной промышленности 5 6 Продолжение табл. 3.3 Вид Характеристики Применение ЭКВ АД с КЗР взрывозащищенные. ЭКВ2,5-7,5. Степень защиты: IP54 ( S1). 2ЭКВ3,5-90, ЭКВ3,5-200М ЭКВ3,5-180, 2ЭКВ3,5-100 (класс нагревостойкости изоляции – Н «монолит»). ЭКВЗ-55, ЭКВ5-200-2 (класс нагревостойкости – F «монолит»). ЭКВ4-250 (класс нагревостойкости – Н «монолит»), (режим работы S4 – 60 % при 30 вкл./ч). Для работы от сети переменного тока частотой 50 Гц на напряжение 500, 660, 1000 или 1140 В с синхрон- ной частотой вращения 1500 об./мин. Степень защи- ты: IP54. Уровень взрывозащиты РВ-3В (Exdl). ЭКВ4-30-6, ЭКВ4-45-6, ЭКВ4-60-6 – для работы от сети переменного тока частотой 50 Гц на напряжение 1140 В с синхронной частотой вращения 1000 об./мин. Класс нагревостойкости изоляции – Н «монолит» (режим работы S1). ЭКВ4-150, ЭКВ5-250В, ЭКВ6-355 – для работы на одно из напряжений 660 В или 1140 В с синхронной частотой вращения 1500 об./мин. Двигатели допус- кают до 20 вкл./ч без снижения мощности. Класс нагревостойкости изоляции – Н «монолит» (S1). ЭКВ2,5-7,5 – для привода гидросистемы очистного комбайна КДК500; 2ЭКВ3,5-90, 2ЭКВ3,5-100 – для привода комбайна К103М; ЭКВ3,5-200М, ЭКВ3,5- 180 – для привода комбай- нов КА80, 1К101УД; ЭКВЗ-55 – для привода грузчика комбайна «Киро- вец», буровой машины «Стрела 77»; ЭКВ4-250 – для привода комбайна ГШ500; ЭКВ5-200-2 – для привода комбайна 2КШ3; ЭКВ4-30-6, ЭКВ4-45-6, ЭКВ4-60-6 – для привода подачи очистных комбайнов УКДЗООБ, КДК500, КДК700, для привода гидро- системы комбайна КДК700(ЭКВ4-30-6) 5 7 Продолжение табл. 3.3 Вид Характеристики Применение ЭКВ4-140-3, 3ЭКВ4УС2, 4ЭКВ4УС2 (S1) 2ЭКВЭ4-200 2ЭКВЭ4-200-2 – для работы от сети переменного тока частотой 50 Гц., на одно из напря- жений 660, 1000,1140 В с синхронной частотой вра- щения 1500 об./мин. Степень защиты: IP54. Класс нагревостойкости изоляции: Н «монолит». ЭКВ4-140, ЭКВ4-185 – для работы от сети перемен- ного тока частотой 50 Гц, на одно из напряжений: ЭКВ4-140 – 500, 660 В; ЭКВ4-185 – 1140, 1000 В с синхронной частотой вращения 1500 об./мин. Сте- пень защиты: IP54. Класс нагревостойкости изоля- ции: F «монолит» ЭКВ4-150, ЭКВ5-250В, ЭКВ6-355 – для привода ис- полнительного органа очистных комбайнов УКД300Б, КДК500, КДК700. ЭКВ4-140-3, 3ЭКВ4УС2, 4ЭКВ4УС2 – для привода агрегата 1АЩМ, струговых установок УСВ СО75, СН75, УС-2У, УСВ. 2ЭКВЭ4-200 2ЭКВЭ4-200-2 – для привода комбайнов РКУ10, РКУ13, ГШ200Б, ГШ200В. ЭКВ4-140, ЭКВ4-185 – для привода комбайнов 1ГШ 68, МК 67 и МК 67И 1ГШ 68Е (режим работы: S4 60 % при 30 вкл./ч ) и других меха- низмов, применяемых в угольных и сланцевых шах- тах, опасных по газу (метан) и угольной пыли 5 8 Продолжение табл. 3.3 Вид Характеристики Применение ЭДКВФ250 Трехфазные АД с КЗР, взрывозащищенные. Режим работы: S1 от сети переменного тока частотой 50 и 60 Гц напряжением 1140/660 В на 1500 и 1800 об./мин. Допускается эксплуатация двигателей в режиме S3, в режиме S4 – 60 % при 20 вкл./ч. Ис- полнение по взрывозащите: РВ 3В (Exdl). Степень защиты двигателей: IP54. Класс нагревостойкости изоляции: Н «монолит» Для многодвигательного привода скребковых и лен- точных конвейеров и про- ходческих комбайнов в угольных шахтах, опасных по газу и угольной пыли. ЭДК4-75 АД с КЗР, взрывозащищенный. ЭДК4-75. Для работы в режиме S4 – 60 % при 30 вкл./ч от сети переменного тока частотой 50 Гц на напряжение 380 и 660 В, с синхронной частотой вращения 1500 об./мин. Вид и уровень взрывозащи- ты: РВ ЗВ (Exdl). ЭДК4-40. Для работы в режиме S4 – 60 % при 30 вкл./ч от сети переменного тока частотой 50 и 60 Гц на одно из напряжений 500, 660 В с синхрон- ной частотой вращения 1500 или 1800 об./мин. Сте- пень защиты: IP54 Класс нагревостойкости изоля- ции: Н. Двигатель обеспечивает вид и уровень взры- возащиты РВ-3В (Exdl) ЭДК4-75 – для привода ком- байнов 2КЦТГ, «Кировец». ЭДК4-40 – для привода ком- байна «Темп» и других ме- ханизмов, применяемых в угольных и сланцевых шах- тах, опасных по газу (метан) и угольной пыли 5 9 Продолжение табл. 3.3 Вид Характеристики Применение ЭДКВФ355-4 ЭДКВФ355-12/4 АД с КЗР, взрывозащищенные. Выполнены в испол- нении: односкоростные и двухскоростные. Двига- тели работают в режиме S1 от сети трехфазного пе- ременного тока частотой 50 Гц на напряжение 1140 В. Исполнение по взрывозащите: РВ-3В (Exdl). Степень защиты: IP55. Класс нагревостойкости изо- ляции: H «монолит» Для привода скребковых и ленточных конвейеров, пере- гружателей, проходческих комбайнов и других меха- низмов, работающих в уголь- ных и сланцевых шахтах, опасных по содержанию газа и угольной (сланцевой) пыли ЭДКОФВ315 АД с КЗР, взрывозащищенные. Режим работы: S1 от сети трехфазного переменного тока частотой 50 Гц на напряжение 1140/66 В. Допускается эксплуатация двигателей в режиме S4 – 60 % при 20 вкл./ч. Сте- пень защиты электродвигателей: IP54 Для привода скребковых и ленточных конвейеров, вы- емочных агрегатов и про- ходческих комбайнов, рабо- тающих в угольных и слан- цевых шахтах, опасных по газу и пыли 5ЭДКОФР250 АД с КЗР являются изделием специального назначе- ния и изготавливаются в рудничном нормальном ис- полнении РН2. Номинальный режим работы: S3 (ПВ составляет 25 %), допускается работа в режиме S1 а также в режиме S4 (ПВ составляет 25 % при коэффи- циенте инерции (FJ) равным 2 с числом включений в час до 20). Степень защиты двигателя и коробки вы- водов от внешних воздействий: IP54. Класс нагрево- стойкости обмотки статора: Н Для работы в качестве при- вода добычных комбайнов КДР-5, КДР-6 в горноруд- ной промышленности при невзрывоопасных условиях эксплуатации 6 0 Продолжение табл. 3.3 Вид Характеристики Применение 2ЭДКОФ(В)2502 ЭДКЛОФ250 Трехфазные АД с КЗР, взрывозащищенные. 2ЭДКОФ(В)2502. Режим работы: S1 от сети трех- фазного переменного тока частотой 50 Гц и 60 Гц на 1500 и 1800 об./мин. Допускается эксплуатация дви- гателей в режиме S2 (ПВ 60 %), а также в режимах S3, S4 (ПВ 60 %). Степень защиты электродвигате- лей: IP54. Класс нагревостойкости изоляции: H. 2ЭДКЛОФ250. Режим работы: S1. Допускается экс- плуатация двигателей в режимах S3 и S4 (ПВ 60 %) при 20 вкл./ч . Степень защиты электродвигателей: IP54. Класс нагревостойкости изоляции: H 2ЭДКОФ(В)2502 – для мно- годвигательного привода скребковых и ленточных конвейеров, перегружателей и проходческих комбайнов. ЭДКЛОФ250 – для привода ленточных конвейеров экс- плуатируемых в угольных и сланцевых шахтах, опасных по газу (метан) и угольной или сланцевой пыли 4ЭДКО4-110 и 4ЭДКО4-120 4ЭДКО4-110-2 Трехфазные АД с КЗР, взрывозащищенные 4ЭДКО4-110 и 4ЭДКО4-120 – для привода очистных ком- байнов: 1К101У, 2К52МУ, КШ1КГУ. 4ЭДКО4-110-2 – для при- вода проходческих ком- байнов типа 4ПП и других механизмов, применяемых в угольных и сланцевых шах- тах, опасных по газу (метан) и угольной пыли 6 1 Продолжение табл. 3.3 Вид Характеристики Применение ЭДКВ400И2/4 Трехфазные асинхронные взрывозащищенные с ко- роткозамкнутым ротором, взрывобезопасные. Для режима работы S1 от сети переменного тока часто- той 50 Гц. Исполнение двигателей по взрывозащите: РВ ЗВ (Exdl). Степень защиты двигателей: IP54. Класс нагревостойкости изоляции: Н «монолит» Для привода шахтных скреб- ковых конвейеров КДС-27 в подземных выработках угольных шахт, опасных по содержанию газа (метан) и угольной пыли АОК2, АОК4 АД обдуваемый с ФР (с контактными кольцами). Режим работы: продолжительный S1 от сети пере- менного тока. Вид климатического исполнения: У1. Степень защиты: корпуса и коробки выводов – IP44 или IP54; кожуха наружного вентилятора – IP20. Структура условного обозначения АОК2-560L8: АОК – асинхронные обдуваемый с фазным ротором; 2, 4 – номер серии; 560, 630 – габарит (высота оси вращения, мм); L, МА, LA, LH, LB – условная длина станины; 6, 8, 10 – число полюсов Для главного привода меха- низмов с тяжелыми услови- ями пуска – прессов, лен- точных транспортеров и других ВАПК-280 Трехфазные АД с КЗР, взрывозащищенные Режим ра- боты: S1, допускается работа электродвигателей в ре- жиме S4 (ПВ 25 %) до 30 вкл./ч от сети трехфазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 380/660 В и 500 В частотой 60 Гц. Степень защиты электродви- гателей: IP54. Класс нагревостойкости изоляции: F. Исполнение по способу монтажа: IM1001 Для привода проходческих комбайнов ПК-8, ПК-10, ШБН и других, эксплуати- руемых в угольных, сланце- вых и соляных шахтах 6 2 Окончание табл. 3.3 Вид Характеристики Применение ЭВ5УС Трехфазный АД с КЗР, взрывозащищенный. Режим работы: S4 (ПВ 90 %) при 150 вкл./ч от сети пере- менного тока частотой 50 Гц на одно из напряжений 660, 1000, 1140 В с синхронной частотой вращения 1500 об./мин. Степень защиты – IP54. Класс нагрево- стойкости изоляции: Н «монолит» Для привода струговой установки уСз и других ме- ханизмов, применяемых в угольных и сланцевых шах- тах, опасных по газу (метан) и угольной пыли AB, DB, HB, AN Взрывозащищенные АД с КЗР серии AB, AC, c ви- дом защиты d, de; серии DB, DC, HB, HC; c видом защиты d, de с тормозом; неискрящие АД серии AN, AQ, AP Среднее машиностроение (АЭС, обогатительные фаб- рики и т.д.) 6 3 ФОРМИРОВАНИЕ МАРКИРОВКИ Пример: HB50 CG 100LB 1,5 6 B3 /энкодер /датчики подшипника – ТУ 3341-008-72453807–07. Тип электродвигателя: HB50CG. Тип базы: 100LB. Мощность, кВт: 1,5. Код количества полюсов: 6 (6 полюсов). Установка: B3. Опции, аксессуары и исполнения: энкодер, датчики подшипника. 6 4 ЛИТЕРАТУРА 1. Светличный, П. Л. Электропривод и электроснабжение горных машин / П. Л. Светличный. – М.: Недра, 1968. – 312 с. 2. Солод, В. И. Горные машины и автоматизированные комплек- сы / В. И. Солод, В. И. Зайков, К. М. Первов. – М.: Недра, 1981. – 502 с. 3. Москаленко, В. В. Автоматизированный электропривод / В. В. Москаленко. – М.: Высшая школа, 1986. – 460 с. 4. Чиликин, М. П. Основы автоматизированного электропри- вода / М. П. Чиликин [и др.]. – М.: Энергия, 1974. – 568 с. 5. Костенко, М. П. Электрические машины / М. П. Костенко, Л. П. Пиотровский; под ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова. – Л.: Энергия, 1973. – 500 с. 6. Справочник по электрическим машинам / под ред. И. П. Ко- пылова, Б. К. Клокова. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 605 с. 7. Режим доступа: http://model.exponenta.ru/electro/IMG1/li_08006.jpg. 8. Режим доступа: http://electricalschool.info/uploads/posts/2009- 03/1238260645_fazny1.jpg. 9. Режим доступа: http://electricalschool.info/uploads/posts/2009- 03/1238261075_fazny2.jpg. 10. Режим доступа: http://electricalschool.info/maschiny/259- asinkhronnye-jelektrodvigateli-s-faznym.html. 11. Режим доступа: http://el-mashin.narod.ru/pic/010.jpg. Учебное издание КОНСТАНТИНОВА Светлана Валерьевна ЭЛЕКТРОПРИВОД ГОРНЫХ МАШИН Учебно-методическое пособие для студентов дневного и заочного отделений специальности 1-36 10 01 «Горные машины и оборудование» В 4 частях Часть 1 Технический редактор Д. А. Исаев Компьютерная верстка Д. А. Исаева Подписано в печать 02.07.2013. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 3,84. Уч.-изд. л. 3,0. Тираж 100. Заказ 356. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.