Анализ и синтез функциональных свойств электротехнических систем карьерных экскаваторов
На правах рукописи
ПАВЛЕНКО Сергей Викторович
АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ
Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы”
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО
«Московский государственный горный университет»
| Научный консультант | доктор технических наук, профессор |
| Фащиленко Валерий Николаевич | |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор |
| Миновский Юрий Петрович | |
| доктор технических наук, профессор | |
| Беспалов Виктор Яковлевич | |
| доктор технических наук, профессор | |
| Федоров Олег Васильевич | |
| Ведущая организация | ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет» (г. Москва) |
Защита состоится 20 октября 2011 г. в 12-00 на заседании диссертационного совета Д 212.128.09 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, ГСП, Москва, Ленинский проспект, д.6, ауд. Д-251
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского
государственного горного университета
Автореферат разослан ____ _________ 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук,
профессор Е.Е. ШЕШКО
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В современных условиях ведения добычи полезных ископаемых открытым способом, при существующей жесткой конкуренции за потребителя перед горно-обогатительными комбинатами стоят задачи планомерного наращивания объемов производства, повышения эффективности ведения горных работ, увеличения коэффициента использования оборудования, сокращения внеплановых простоев технологического оборудования.
Первыми в сложной цепочке горнотранспортных комплексов стоят экскаваторы – высокопроизводительные машины, содержащие множество различных механизмов с электроприводами разных типов. Существующий парк карьерных экскаваторов, за небольшим исключением, оснащен электроприводами постоянного тока, преимущественно системы Г-Д.
Эффективность функционирования электротехнического комплекса карьерного экскаватора как системы определяется эффективностью функционирования как отдельных его подсистем, так и всего комплекса экскаватора в целом.
При этом, как показывает статистика, электротехнические системы (ЭТС) экскаваторов недостаточно надёжны, обладают высокой материалоемкостью и энергоемкостью. Время отказов ЭТС составляют 6 - 15% от времени работы экскаватора.
Жесткие требования предъявляют и к производительности экскаваторов, электроприводы основных механизмов которых работают в интенсивном повторно-кратковременном режиме, с большой частотой включений, при изменяющейся в широких пределах нагрузке на валу в весьма тяжёлых условиях воздействия внешних факторов. Они содержат упругие механические связи, обусловленные ограниченной жесткостью канатов, рабочего оборудования, валов передач, а также значительными зазорами в передачах и в сочленениях рабочего оборудования лопаты.
Это приводит к возникновению ударных нагрузок в стопорных режимах, увеличению динамических нагрузок, недопустимому перегреву, снижающих срок службы электродвигателей и пр.
Современное развитие ЭТС карьерных экскаваторов позволяет идентифицировать в обобщенном виде ряд функциональных свойств – надежность, энергоэффективность, эргономичность и производительность, результаты комплексного исследования которых будут способствовать устранению перечисленных выше негативных явлений.
Главным требованием, предъявляемым к системе управления электроприводами, является обеспечение безаварийной погрузки горной массы в любых экстремальных условиях с учетом работы электроприводов в предельном и стопорном режимах с различной комплектацией экскаваторов электрооборудованием.
Вместе с тем анализ отечественных и зарубежных научных публикаций и патентной документации свидетельствует о том, что в настоящее время в недостаточной степени разработаны как методы анализа и синтеза функциональных свойств электротехнических комплексов и систем экскаваторов, так и адекватные современному уровню развития электронной техники схемные решения по устройствам автоматики. Отсутствуют научно обоснованные методы оценки пожароопасности электротехнических систем карьерных экскаваторов. Согласно статистическим данным на горнорудных предприятиях в год на 1 – 2-х экскаваторах возникает пожар по причине, связанной с низковольтным комплектным устройством (НКУ).
Снижение динамических нагрузок в обмотках приводных двигателей, устранение ударных нагрузок в стопорных режимах и недопустимого перегрева электродвигателей можно обеспечить путем создания так называемого «мягкого» режима работы сетевых синхронных двигателей (СД), форсировкой тока возбуждения электродвигателей подъёма и напора, а также формированием требуемой формы электромеханической экскаваторной характеристики по критерию температурного нагрева якоря электродвигателя.
Недостаточная степень проработки методов анализа и синтеза функциональных свойств электротехнических систем, теоретического обоснования эксплуатационной безопасности и схемных решений по управлению электроприводами карьерных экскаваторов; исследование и обеспечение требуемой электромеханической экскаваторной характеристики в зависимости от допустимой температуры нагрева якоря; исследование и разработка высоконадёжных систем управления, позволяющих на основе опережающей форсировки возбуждения обеспечить «мягкий» режим для сетевых СД, а для электроприводов подъёма и напора устранение ударных нагрузок в стопорных режимах, обеспечивающих качество процессов экскавации и динамических свойств ЭТС, являются актуальной научной проблемой.
Целью работы является теоретическое обоснование решений по управлению ЭТС для улучшения динамических свойств электроприводов, повышения надежности, энергоэффективности, эксплуатационной безопасности и производительности, что развивает теорию анализа и синтеза функциональных свойств электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Идея работы заключается в том, что для электротехнических систем карьерных экскаваторов целесообразно обеспечивать форсированные режимы работы электроприводов копающих механизмов и синхронных электродвигателей в зависимости от допустимых динамических нагрузок электроприводов, условий эксплуатации и нагрева электродвигателей.
Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались методы теорий электропривода и автоматического управления, математической статистики, теорий надежности и нечетких множеств, математического моделирования с применением компьютерной техники.
Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях ОАО «Лебединский ГОК».
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Математические модели безотказности и ремонтопригодности электротехнических систем карьерных экскаваторов, представленные экспоненциальным законом распределения и зависимостями наработки на отказ и времени простоя ЭТС от срока службы, позволяющие оценить показатели эксплуатационной надежности электротехнических систем карьерных экскаваторов.
2. Метод исследования, основанный на сравнительном анализе изотерм нагрева синхронных электродвигателей и электродвигателей копающих механизмов, позволяющий обосновать способы форсировки возбуждения, улучшающие режимы работы указанных электродвигателей в тяжелых условиях работы экскаватора.
3. Математическая модель сетевого синхронного электродвигателя карьерного экскаватора, позволяющая оценивать влияние пусковых режимов на срок службы изоляции СД, с учетом угла нагрузки и режима электропотребления СД при питании от карьерных сетей.
4. Математическая модель электропривода копающего механизма карьерного экскаватора, выполненного по системе ТВ-Г-Д, синтезирующая требуемую форму электромеханической экскаваторной характеристики по критерию температуры нагрева якоря.
5. Метод анализа тепловых режимов электроприводов копающих механизмов, отличающийся учетом формы их экскаваторной электромеханической характеристики, позволяющий устанавливать аналитические зависимости температуры якоря электродвигателя от параметров якорной цепи, момента инерции двигателя и условий охлаждения двигателя.
6. Метод оценки пожароопасности электротехнических систем, использующий диаграммы влияния типа «дерево происшествий», базирующийся на теории нечетких множеств и позволяющий обосновать новые способы трассировки кабельных сетей карьерных экскаваторов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью использованных теорий электропривода, автоматического управления, надежности и математической статистики; сравнением результатов аналитических исследований и компьютерного моделирования с представительными экспериментальными данными, достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми не превышает 10%.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- разработаны математические модели безотказности и ремонтопригодности электротехнических систем карьерных экскаваторов, представленных экспоненциальным законом распределения;
- установлены закономерности наработки на отказ и времени простоя ЭТС от срока службы экскаватора для оценки показателей эксплуатационной надежности электротехнических систем карьерных экскаваторов;
- разработан метод исследования, основанный на сравнительном анализе изотерм нагрева синхронных электродвигателей и электродвигателей копающих механизмов, позволяющий обосновать способы форсировки возбуждения указанных электродвигателей в тяжелых условиях работы экскаватора;
- установлены закономерности влияния пусковых процессов на срок службы изоляции сетевых СД карьерных экскаваторов и разработан алгоритм расчета срока службы изоляции для их анализа;
- разработана структурная схема электропривода копающего механизма карьерного экскаватора, выполненного по системе ТВ-Г-Д, синтезирующая требуемую форму электромеханической экскаваторной характеристики по критерию температуры нагрева якоря и предложен метод расчета его параметров;
- установлена зависимость температуры якоря электродвигателя копающего механизма от параметров якорной цепи, момента инерции двигателя и условий охлаждения двигателя;
- разработан метод анализа тепловых режимов электроприводов копающих механизмов с учётом формы их экскаваторной электромеханической характеристики;
- разработан метод оценки пожароопасности электротехнических систем карьерных экскаваторов, позволивший обосновать новый способ трассировки кабельных сетей карьерных экскаваторов.
Научное значение работы заключается в развитии теории анализа и синтеза функциональных свойств электротехнических систем карьерных экскаваторов, выразившейся в разработке методов и моделей безотказности и ремонтопригодности электротехнических систем карьерных экскаваторов, обеспечения «мягкого» режима работы сетевых СД, форсировки тока возбуждения электродвигателей подъема и напора, анализа тепловых режимов электроприводов копающих механизмов с учетом формы их экскаваторной электромеханической характеристики, оценки пожароопасности ЭТС, на основе которых получены формулы и зависимости для оценки показателей эксплуатационной надежности и пожароопасности электротехнических систем карьерных экскаваторов, износа изоляции СД, параметров системы управления электроприводов копающих механизмов, установлены закономерности оптимальных температурных режимов функционирования электродвигателей подъема и напора.
Практическое значение работы заключается в разработке:
- методики оптимизации формы электромеханической экскаваторной характеристики электропривода копающего механизма карьерного экскаватора;
- способа обеспечения «мягкого» режима работы сетевых синхронных электродвигателей на карьерных экскаваторах (патент РФ на изобретение № 2260242);
- способа форсировки тока возбуждения электродвигателей подъема и напора в тяжелых условиях работы карьерного экскаватора (патент РФ на изобретение № 2400008);
- способа трассировки кабельных сетей на карьерных экскаваторах (патент РФ № 2324790);
- устройства кабельного канала на карьерных экскаваторах под низковольтное комплектное устройство (НКУ) (патент РФ № 2268523);
- структуры электроприводов карьерного экскаватора с оптимизированной формой электромеханической экскаваторной характеристики электропривода.
Реализация результатов работы. Методика оптимизации формы электромеханической экскаваторной характеристики электроприводов карьерных экскаваторов, способ обеспечения «мягкого» режима работы сетевых синхронных электродвигателей на карьерных экскаваторах с НКУ Ш3801.У2 ОАО «Электросила», с НКУ ОАО «Электропривод» и блоками Б3801, на карьерных экскаваторах с системой МУ-Г-Д и станцией управления типа ПГА 4409-56В1, способ форсировки тока возбуждения электродвигателей подъема и напора в тяжелых условиях работы карьерного экскаватора, способ трассировки кабельной продукции на карьерных экскаваторах, устройство кабельного канала на карьерных экскаваторах под низковольтное комплектное устройство внедрены в ОАО «Лебединский горно-обогатительный комбинат» (г.Губкин, Белгородская обл.), ОАО «Стойленский горно-обогатительный комбинат» (г.Старый Оскол, Белгородская обл.), ОАО «Михайловский горно-обогатительный комбинат» (г.Железногорск, Курская обл.), ОАО «Рудоавтоматика» (г.Железногорск, Курская обл.), ОАО «Объединенные машиностроительные заводы» (г.Санкт-Петербург), АО «Костанайские минералы» (г.Житикара, Республика Казахстан).
Структура копающих электроприводов карьерного экскаватора с оптимизированной формой электромеханической экскаваторной характеристики электропривода, расчет коэффициентов усиления регуляторов, методики наладки внедрены в ОАО «Рудоавтоматика» (г.Железногорск, Курская обл.).
Практическим результатом работы, внедренным в учебный процесс, является применение ряда теоретических и методических положений диссертации в научно-исследовательских работах студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» Старооскольского технологического института (филиала) Федерального образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технический университет МИСиС». Работы студентов отмечены в региональных научно-технических конференциях, конкурсных работах «Молодёжь Белгородской области», награждены почетными грамотами, дипломами Губернатора Белгородской области и дипломами Минобрнауки России.
По результатам внедрения в промышленность научных разработок автор удостоен звания «Лауреат областного конкурса «Инженер года – 2008» в номинации «Электроснабжение, электрические сети и системы» в категории «Профессиональные инженеры». В 2009 году удостоен звания «Лауреат Всероссийского конкурса «Инженер года» в номинации «Электроснабжение, электрические сети и системы (программные средства)» по версии «Профессиональные инженеры».
Использование результатов исследований и разработок в проектной практике и промышленности подтверждено соответствующими документами, приводимыми в приложении к диссертации.
Личный вклад автора.
Разработка методологии исследования электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Анализ показателей надежности электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Теоретические и экспериментальные исследования эксплуатационной безопасности электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Теоретические и экспериментальные исследования электромеханических экскаваторных характеристик электроприводов и их влияние на эксплуатационные свойства ЭТС карьерных экскаваторов.
Теоретические и экспериментальные исследования эффективности работы сетевых синхронных электродвигателей (СД) на карьерных экскаваторах.
Разработка рекомендаций и технических решений по эффективному функционированию электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Апробация работы. Основные положения и разделы диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре по проблемам экскаваторного электропривода постоянного тока на базе НКУ производства ОАО «Рудоавтоматика» (Железногорск, 2003); на научно-практическом семинаре кафедры АЭП МЭИ «Экскаваторный электропривод» (Москва, 2004); на региональной научной конференции «Образование, наука, производство и управление» (Старый Оскол, 2005); на научно-практическом семинаре по экскаваторному электроприводу (Железногорск, 2006); на научных симпозиумах «Неделя горняка – 2007, 2010, 2011» (Москва, 2007, 2010, 2011); на конференции «Перспективы создания и развития горной техники Корпорации ОМЗ» (Санкт-Петербург, 2007); на V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (Санкт-Петербург, 2007); на научных семинарах кафедры ЭЭГП МГГУ (Москва 2007 – 2011), на научно-технических конференциях ОАО «Лебединский ГОК» (Губкин, 2009, 2011), на Международной межотраслевой конференции по вопросам экскаваторной техники (Железногорск, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 печатных работ, в числе которых 17 трудов, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК России, получено 5 патентов на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 256 наименований и включает 172 рисунка, 35 таблиц и 16 приложений.
Автор выражает благодарность за помощь и консультации д.т.н., проф. Ляхомскому А.В., д.т.н., проф. Микитченко А.Я. и проф. Плащанскому Л.А.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, её цель, идея, показана новизна научных положений, практическая ценность и реализация работы. Обоснована необходимость повышения эффективности использования электротехнических систем карьерных экскаваторов, создания высоконадежной системы управления экскаваторными электроприводами, улучшение эксплуатационных характеристик механизмов.
В первой главе рассматриваются состояние и перспективные направления в развитии экскаваторного электропривода, обосновываются задачи исследования.
Эффективность работы горнодобывающих предприятий в значительной степени определяется эффективностью использования добычных, подготовительных и транспортных машин и установок. Значительную роль при этом играет качество функционирования электротехнических систем, которые в настоящее время недостаточно надежны, обладают высокой материалоемкостью и энергоемкостью.
Одноковшовые карьерные экскаваторы являются основными технологическими машинами для производства открытых горных работ. Преобладающая часть экскаваторного парка – это карьерные гусеничные экскаваторы (ЭКГ) – «лопаты» с объёмом ковша от 4 до 20 м3.
Направления развития и совершенствования экскаваторных электроприводов характеризуются большим разнообразием. Развитие осуществляется по трем основным направлениям: совершенствование системы электропривода, совершенствование системы управления и разработка оптимальных структур автоматического регулирования. При этом наблюдается тенденция по замене тиристорных преобразователей транзисторными, аналоговых систем управления – цифровыми, а релейно-контакторных – микропроцессорными. Вместе с тем повышенное внимание уделяется вопросам ресурсо- и энергосбережения.
Лидирующие позиции в создании и применении современных электроприводов занимают экскаваторностроительный фирмы США «Harnischfeger» и «Bucyrus» совместно с электротехническими корпорациями «General Electric» и «Siemens». «Harnischfeger» и «Bucyrus» выступают в настоящее время и как выразители двух основных направлений в регулируемом электроприводе: тиристорный электропривод постоянного тока и регулируемый электропривод переменного тока. В настоящее время в эксплуатации находятся более 150 экскаваторов с электроприводами постоянного и переменного тока.
Другое направление связано с применением непосредственных преобразователей частоты (НПЧ-АД). Исследованием системы НПЧ-АД для экскаваторного электропривода занимались ОАО «Электропривод», институт «Гипроуглеавтоматизация», группа экскаваторного электропривода кафедры АЭП МЭИ под руководством д.т.н., профессора В.И.Ключева. С 1989 года на Сафроновском разрезе (г. Черемхово) ПО «Востсибуголь» находится в опытной эксплуатации единственный отечественный экскаватор ЭШ-20/90А с электроприводами по системе НПЧ-АД, разработанными институтом «Гипроуглеавтоматизация».
Вместе с тем ведущие экскаваторостроительные фирмы, в том числе российские, продолжают выпускать экскаваторы с электроприводами по системе Г-Д. Это объясняется прежде всего тем, что такая система по принципу работы является реверсивной с двунаправленной передачей энергии и автоматически обеспечивает требуемые четырехквадрантные механические характеристики.
В июне 2007 года на петербургской площадке корпорации «Объединенные машиностроительные заводы» с большим успехом прошла конференция «Перспективы создания и развития горной техники корпорации ОМЗ», на которой основной потребитель экскаваторных НКУ ООО «ИЗ-КАРТЭКС» поставил перед производителя НКУ задачу о переходе на более современные системы электропривода с полупроводниковыми преобразователями.
Перспективным проектом филиала «Электросила» является разработка и применение активного выпрямителя для питания электроприводов экскаватора ЭКГ-1500К.
В ОАО «Рудоавтоматика» (г. Железногорск Курской области) успешно проведены испытания макета системы НПЧ-АД с 2-фазным асинхронным электродвигателем для электропривода подъема экскаватора ЭКГ-5. На экскаваторах ЭКГ-5, ЭКГ-10 успешно выполнена модернизация главных электроприводов по системе ТП-Д.
Вопросам создания научно-методической и алгоритмической базы для разработки многосвязных систем управления автоматизированными электроприводами и разработки рациональных систем управления электроприводами механизмов одноковшовых экскаваторов уделяется большое внимание. Основное направление работ связано с совершенствованием процесса экскавации, повышением долговечности рабочего оборудования и увеличением межремонтных сроков его эксплуатации. Совершенствование систем управления осуществляется в первую очередь путем применения современных микропроцессорных средств, с помощью которых обеспечивается необходимое быстродействие, заданные динамические свойства в электромеханической системе экскаваторов, решаются вопросы повышения энергетических показателей.
Большой вклад в развитие теории управляемых электроприводов, в практику создания, совершенствования и модернизации электроприводов экскаваторов различной производительности, а также управления ими внесли такие ученые, как: Г.И.Бабокин, И.В.Брейдо, Ю.Я.Вуль, П.Д.Гаврилов, Э.Л.Греков, В.И.Ключев, А.И.Коган, Э.Г.Краус, А.М.Лузянин, А.Я.Микитченко, М.В.Мительман, Б.М.Парфенов, Н.Г.Переслегин, Т.З.Портной, Г.Я.Пятибратов, В.В.Сафошин, В.И.Серов, В.Б.Славгородский, В.С.Тулин, А.М.Усманов, В.Н.Фащиленко, О.В.Федоров, Н.Н.Чулков, М.Г.Юньков и др.
Управление автоматизированным электроприводом экскаваторов как объектом с особыми свойствами и характеристиками до настоящего времени не получило достаточно полного решения не только на этапах технической реализации и эксплуатации, но и на стадиях исследования и проектирования. Целью таких исследований и их реализации должна быть разработка рациональных структур систем управления электроприводами экскаваторов, обеспечивающих эффективное функционирование, повышение долговечности рабочего оборудования, увеличение межремонтных сроков эксплуатации и снижение уровня электропотребления. В связи с этим необходимо решение следующих задач:
- Обоснование рационального подхода и комплексного исследования электротехнических систем карьерных экскаваторов.
- Разработка методологии исследования электротехнических систем карьерных экскаваторов.
- Анализ показателей надежности электротехнических систем карьерных экскаваторов.
- Исследование эксплуатационной безопасности электротехнических систем карьерных экскаваторов.
- Исследование и оптимизация электромеханических экскаваторных характеристик электроприводов и их влияние на эксплуатационные свойства ЭТС карьерных экскаваторов.
- Исследование эффективности работы сетевых синхронных электродвигателей (СД) на карьерных экскаваторах.
- Разработка рекомендаций и технических решений по эффективному функционированию электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Разработке методологии исследования электротехнических систем карьерных экскаваторов посвящена вторая глава диссертационной работы. Различные виды электрооборудования экскаваторов рассматриваются в виде составляющих электротехнических систем карьерных экскаваторов. Взаимосвязанные электротехнические системы электроснабжения, электроприводов главных и вспомогательных механизмов, автоматизации и жизнеобеспечения, используемые для определенного вида механизма или группы механизмов, выполняющих технологический процесс, объединяются в электротехнический комплекс карьерного экскаватора.
Граф методологии исследования электротехнических систем карьерных экскаваторов представлен на рис. 1. Электротехнические системы карьерных экскаваторов классифицируются по функциональным свойствам (надежность, энергоэффективность, эргономичность и производительность) и по составу электрооборудования.
Понятие надежности определяет свойство оборудования сохранять значения установленных параметров функционирования в определённых пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность - комплексное свойство, которое в зависимости от назначения оборудования и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность,
Рисунок 1 – Граф методологии исследования электротехнических систем карьерных экскаваторов
ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определённое сочетание этих свойств в целом.
Согласно статье 1 Федерального закона «Об энергосбережении» № 309-Ф3 от 30.12.2008 г. под показателем энергоэффективности понимается абсолютная или удельная величина потребления или потери энергетических ресурсов для продукции любого назначения, установленная государственными стандартами. Удельный расход электроэнергии (УРЭ) является основным показателем энергоэффективности на предприятиях. По составу расходов различают технологические и общепроизводственные (по шахте, карьеру) удельные расходы электроэнергии.
Под эргономичностью понимают свойство техники изменять эффективность трудовой деятельности в системе “человек–машина–среда” в зависимости от степени ее соответствия физическим, биологическим и психическим свойствам человека. Эргономичность формируется на базе таких свойств техники, как управляемость, обслуживаемость, освояемость и обитаемость.
Основными показателями производительности экскаваторов являются теоретическая (паспортная), техническая и эксплуатационная производительность.
Повышение эффективности функционирования электротехнических систем карьерных экскаваторов по функциональным свойствам на горнодобывающих предприятиях неразрывно связано с проблемой оценки режимов работы электротехнических систем, что актуально в силу специфики условий ведения горных работ.
В работе представлены принципы исследования функциональных свойств, выполнен анализ и приведены методики исследования всех функциональных свойств электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Основным элементом электротехнических систем является НКУ, определяющее алгоритмы работы электроприводов и защиты, удобство управления экскаватором машинистом-оператором и содержащее приборы и индикацию, которые позволяют легко получить информацию о режимах работы экскаватора и основных неисправностях в электрооборудовании.
В работе выполнен анализ функциональных свойств НКУ карьерных экскаваторов с системой Г-Д с магнитными усилителями, с системой ТВ-Г-Д и блоками Б3801 разработки ОАО Электропривод», НКУ Ш3801.У2 разработки ОАО «Электросила», НКУ карьерных экскаваторов ЭКГ-8И, ЭКГ-10 и их модификаций с системой ТВ-Г-Д и блоками типа ПТЭМ ОАО «Рудоавтоматика», НКУ ЭКГ-10-У2 ООО «Компания «Объединенная энергия».
В настоящее время на горнорудные предприятия поставляются карьерные экскаваторы, укомплектованные НКУ с микропроцессорным управлением: НКУ ЭГ-РЦ-У2 производства ОАО «Рудоавтоматика» и НКУ ЭКГ-10-У2 производства ООО «Компания «Объединённая энергия». Главным поставщиком НКУ для экскаваторов на сегодняшний день в России является ОАО «Рудоавтоматика» (г. Железногорск Курской области). В работе выполнена сравнительная оценка технических и эксплуатационных характеристик НКУ ЭГ-РЦ-У2 производства ОАО «Рудоавтоматика» и НКУ ЭКГ-10-У2 производства ООО «Компания «Объединённая энергия».
Анализу показателей надежности электротехнических систем карьерных экскаваторов посвящена третья глава диссертации.
В работе выполнен расчет показателей надежности различных систем управления на стадии проектирования и реальных показателей надежности этих систем. Расчет надежности НКУ на стадии проектирования производился по следующим этапам: определение номинальных интенсивностей отказов (о 10-6,1\ч) для каждого элемента; расчет эксплуатационных интенсивностей отказов элементов (э10-6,1\ч); расчет показателей безотказности и ремонтопригодности узла в целом.
В течение шести лет на предприятиях ОАО «Лебединский горно-обогатительный комбинат» и ОАО «Стойленский горно-обогатительный комбинат» был собран статистический материал по отказам и ремонтам ЭТС карьерных экскаваторов с разными НКУ, на основании которого были рассчитаны показатели надежности ЭТС карьерных экскаваторов, выполнен анализ причин аварийных простоев ЭТС экскаваторов за этот период, полученные результаты приведены в табл. 1.
В работе предложен коэффициент, наглядно характеризующий время простоя ЭТС экскаватора на каждую отгруженную 1000 м3 горной массы.
Таблица 1 - Сравнительный анализ показателей надежности НКУ ЭГ-10-У2, НКУ Ш3801, НКУ c Б3801, НКУ ЭКГ-10-У2, НКУ ЭГ-РЦ-У2
| Тип НКУ | Показатели надежности | ||||
| Среднее время восстанов. преобразователя, ч | Наработка на отказ эк-ра, tн.э, ч. | Наработка на отказ электропривода, tн.э.п., ч. | Наработка на отказ тиристорного преобр., tн.т.п., ч. | Резервные блоки, ячейки на эк-рах | |
| НКУ ЭГ-10-У2 | 0,17-0,25 | 482 (435) | 1446 (1305) | 11014 (15640) | Есть |
| НКУ Ш3801 | 1,5-3 | 461 | 1383 | 3514 | Есть |
| НКУ с Б3801 | 1,5-3 | 282 | 846 | 1522 | Нет |
| НКУ ЭКГ-10-У2 | 2-12 | 139 | 417 | 25851 | Нет |
| НКУ ЭГ-РЦ-У2 | 0,17-0,25 | 2251 | 6753 | 205938 | Есть |
В работе выполнен анализ статистических данных работы карьерных экскаваторов ОАО «Лебединский горно-обогатительный комбинат» по эксплуатационной надежности и ремонтопригодности ЭТС экскаваторов. Выборка охватывает период 2005 – 2007г.г. по 59 экскаваторам различных моделей, в том числе ЭКГ-4,6, ЭКГ-6,3УС, ЭКГ-8И, ЭКГ-8УС, ЭКГ-10. Доказано, что:
- Все отказы ЭТС принадлежат к одной генеральной совокупности, что говорит об идентичности условий их возникновения, т.е. отказы ЭТС на разных экскаваторах происходят в результате практически одних и тех же обстоятельств и обслуживания одним и тем же персоналом.
- Исходя из единой генеральной совокупности, получены математические модели безотказности ЭТС и ремонтопригодности ЭТС для всего экскаваторного парка, представленные экспоненциальным законом распределения.
- Установлена аналитическая зависимость между наработкой на отказ ЭТС и датой ввода экскаватора (рис. 2), временем простоя ЭТС и датой ввода экскаватора (рис. 3), учитывающая вероятностный характер возникновения отказов.
- Получены статистические характеристики, доверительные области их изменения, а также устойчивые уровни наработки на отказ и времени простоя ЭТС по группе однотипных экскаваторов и парку в целом.
Исследованию эксплуатационной безопасности электротехнических систем карьерных экскаваторов посвящена четвертая глава диссертации.
В диссертации разработан метод оценки пожароопасности электротехнических систем. Суть метода заключается в применении диаграмм влияния типа «дерево происшествия», базирующееся на теории нечетких множеств.
Представим причинную цепь события «пожар на экскаваторе» в виде дерева происшествий (рис. 4).
Дерево имеет промежуточные события и постулируемые исходные события – предпосылки, помеченные латинскими буквами, наименование которых, а также параметры меры возможности их появления, аппроксимированные L – R формой, приведены в табл. 2.
Рисунок 4 – Дерево происшествия для события «пожар на экскаваторе»
В результате выполненного качественного и количественного анализа, событие «пожар на экскаваторе» оценивается диапазоном изменения частоты от 0,045 до 0,055, при наиболее вероятном её значении 0,045.
В работе предложена конструкция кабельного канала для НКУ (рис. 5) любого отечественного производителя, которая может быть применена как на экскаватор ЭКГ-10, так и ЭКГ-8, а также новый способ трассировки кабельной продукции внутри кабельного канала, который будет устанавливаться на поворотной платформе вдоль боковых и задней стенок кузова и подходить к левому и правому двигателям вращения и подъёма, что позволяет убрать низковольтные кабели из открытого короба вне кузова экскаватора.
Таблица 2 - Характеристики и параметры дерева происшествий
| Сим-вол | Постулируемые предпосылки | Параметры частоты | |
| mi |  | ||
| А | Наличие масла в кабельном канале под подъемной лебедкой | 0,01 | 5,5610-4 |
| В | Нагрев кабелей, плохой контакт в месте соединения | 0,01 | 5,5610-4 |
| С | Применение кабеля типа КГ | 1 | 5,5610-2 |
| D | Трение кабелей об острые углы и края станины | 0,02 | 1,11210-3 |
| E | Нагрев центральной цапфы при работе экскаватора | 0,02 | 1,11210-3 |
| F | Большая концентрация кабелей в узком переходе возле комбинированого кольцевого токоприемника | 1 | 5,5610-2 |
| G | Неисправность коммутационной аппаратуры | 0,01 | 5,5610-4 |
| H | Посторонние источники искрообразования (сварка, курение и тд.) | 0,001 | 5,5610-5 |
Рисунок 5 – Размещение кабельного канала в кузове карьерного экскаватора
В результате выполненного качественного и количественного анализа при применении кабельного канала, устанавливаемого в кузове экскаватора, и специального способа прокладки кабельной продукции на карьерном экскаваторе событие «пожар на экскаваторе» оценивается диапазоном изменения частоты от 0,010 до 0,012 при наиболее вероятном её значении 0,010.
Таким образом, исследование возникновения пожара на экскаваторе с помощью диаграммы влияния типа «дерево происшествий» позволяет решать ряд практически важных задач прогнозирования пожаробезопасности и оценки эффективности мероприятий по её повышению. Применение кабельного канала, устанавливаемого в кузове экскаватора, и применение специального способа прокладки кабельной продукции на карьерном экскаваторе позволяет уменьшить вероятность возникновения пожара на экскаваторе в 4,5 раза, исключить повреждение кабельной продукции и существенно уменьшить время, требуемое для ремонта центральной цапфы экскаватора.
Исследованию и оптимизации электромеханических экскаваторных характеристик электроприводов и их влиянию на эксплуатационные свойства карьерных экскаваторов посвящена пятая глава диссертационной работы.
В процессе эксплуатации электродвигателей главных механизмов экскаватора идет непрерывный износ изоляции, связанный с нагревом электрических машин, и темп этого процесса определяется характером температурного режима. Кроме того, в процессе нагревания температура изоляции двигателя не должна превосходить предельно допустимого значения даже кратковременно, так как в этом случае происходит ее разрушение. Простое эмпирическое правило гласит, что срок службы изоляции уменьшается вдвое при увеличении рабочей температуры на 8-10°С.
На практике, при работе экскаватора в забое, характеризуемой случайным характером нагрузок, режимы работы электрических машин главных электроприводов таковы, что температура их нагрева не остается постоянной и очень сильно зависит от формы принятой электромеханической характеристики механизма. Особенно это заметно для «копающих» механизмов экскаватора: механизмов подъема и напора. На карьерных экскаваторах ЭКГ-8И, ЭКГ-10 горнодобывающих предприятий применяется различная комплектация электрических машин производства ОАО «Электросила», ОАО «Карпинский электромашиностроительный завод», АЭК «Динамо». Для электроприводов подъема и напора на вышеуказанных экскаваторах применяются как новые электрические машины, так и машины, прошедшие десятки ремонтных циклов. На всех электрических машинах применяется изоляция класса F. Допустимое превышение температуры обмоток электрических машин, прошедших ремонты (по данным электроэнергоремонтного завода ОАО «Лебединский горно-обогатительный комбинат» ООО «ЛебГОК-ЭЭРЗ») ограничивается значением температуры 85°С.
В диссертации разработан метод анализа тепловых режимов работы электроприводов копающих механизмов карьерных экскаваторов.
Суть метода заключается в установлении аналитической зависимости температуры нагрева якоря электрической машины от параметров якорной цепи, момента инерции двигателя и от условий охлаждения двигателя:
= А
, (1)
где IЯ – ток якоря, А; IВ – ток возбуждения, А; U – напряжение, приложенное к якорю электрической машины, В; J – момент инерции двигателя, кг·м2; A, b – коэффициенты, определяемые формой электромеханической характеристики и условиями охлаждения двигателя.
Алгоритм получения зависимости (1) представлен в диссертации, в автореферате, для краткости изложения, опущен.
По известной электромеханической характеристике электропривода измеряется температура якоря электродвигателя электропривода копающего механизма и определяются значения коэффициентов A и b.
По известным характеристикам выполняется оптимизация формы электромеханической характеристики электропривода копающего механизма. За критерий оптимизации принимается температура нагрева якоря электродвигателя рассматриваемого электропривода.
Например, для электропривода подъема экскаватора ЭКГ-10, имеющего электромеханическую характеристику 5 (рис. 6) из семейства возможных электромеханических характеристик (рис. 6), аналитическая зависимость (1) с учетом полученных значений коэффициентов A и b имеет вид
Я = 
, °С. (2)
Рисунок 6 – Статические электромеханические характеристики электропривода подъема, Крн – коэффициент усиления регулятора напряжения
С помощью аналитической зависимости (2) рассчитаны и построены характеристики нагрева якоря электродвигателя подъема. Семейство возможных температурных характеристик нагрева якоря электродвигателя подъема экскаватора ЭКГ-10 представлены на рис. 7.
С помощью тепловизора типа ThermaCAMTM P65 измерены изотермы нагрева электродвигателей подъема типа МПЭ350-900У2 экскаватора ЭКГ-10 для разных характеристик (рис. 6).
Рисунок 7 – Семейство температурных характеристик нагрева якоря электродвигателя подъема экскаватора ЭКГ-10 во второй зоне
Рисунок 8 – Изотермы нагрева электродвигателя подъема экскаватора ЭКГ-10 при форме электромеханической характеристики 5 (рис.6). Минимальная температура нагрева ДП 44,9°С. Максимальная температура нагрева ДП 94,3°С. Температура воздуха +30 °С.
Рисунок 9 – Изотермы нагрева электродвигателя подъема экскаватора ЭКГ-10 при оптимизированной форме электромеханической характеристики 3 (рис.6). Минимальная температура нагрева ДП 44,5°С. Максимальная температура нагрева ДП 83,9°С. Температура воздуха +30 °С.
Анализ изотерм нагрева электродвигателей подъема (рис. 8, 9) экскаватора ЭКГ-10 позволяет сделать вывод о белее эффективном использовании электрических машин электропривода подъема после оптимизации электромеханической экскаваторной характеристики данного электропривода.
В работе получена математическая модель электропривода копающего механизма карьерного экскаватора, выполненного по системе ТВ-Г-Д, учитывающая оптимизированную форму электромеханической экскаваторной характеристики электропривода и позволяющая рассчитывать параметры системы управления и координаты электропривода с оптимальной формой экскаваторной характеристики.
По функциональной модели электропривода копающего механизма карьерного экскаватора (рис. 10) выполнено моделирование переходных процессов работы электропривода подъема.
На модели и в работе электропривода подъема достигаются одинаковые значения стопорного тока IСТ =1820 - 1850А и напряжения холостого хода U = 750 В, что говорит об адекватности модели реальному объекту.
В диссертации разработан метод исследования, основанный на сравнительном анализе изотерм нагрева электродвигателей копающих механизмов карьерных экскаваторов.
Суть данного метода заключается в следующем.
Для установившегося теплового режима электрических машин электроприводов копающих механизмов карьерного экскаватора с помощью тепловизора измеряются изотермы нагрева этих машин. Данные изотермы анализируются с целью получения наименьшей температуры нагрева электрической машины с учетом режима работы экскаватора (погрузка горной массы с прямого забоя в железнодорожный транспорт или в автотранспорт, погрузка горной массы в железнодорожный транспорт с перегрузочных складов), условий работы экскаватора, квалификации машиниста экскаватора, вероятностного характера нагрузок, возникающих при работе экскаватора в забое и т.д.
Рисунок 10 – Функциональная модель электропривода копающего механизма карьерного экскаватора
На основе метода исследования, основанного на сравнительном анализе изотерм нагрева электродвигателей копающих механизмов, разработан способ форсировки возбуждения электродвигателей копающих механизмов, позволяющий в тяжелых условиях работы экскаватора повысить значение тока возбуждения этих электродвигателей на величину, определяемую по кривой намагничивания для данного типа электрической машины. Преимущества данного способа:
1) снижаются динамические удары в механизмах и электродинамические в обмотках электрических машин, что приводит к увеличению срока службы механизмов, электрических машин и снижению затрат на их обслуживание;
2) снижается удельный расход электроэнергии на экскаваторах на 5-10%;
3) увеличивается производительность экскаватора, сокращается время цикла экскавации, улучшается наполняемость ковша. По статистике время погрузки транспорта сокращается на 10%.
С помощью тепловизора типа ThermaCAMTM P65 измерены изотермы нагрева электродвигателей подъема и напора экскаватора ЭКГ-10.
Анализ полученных изотерм (рис. 11-14) позволяет сделать вывод о белее эффективном использовании электрических машин электроприводов подъема и напора при применении нового способа форсировки тока возбуждения этих электродвигателей.
Рисунок 11 – Изотермы нагрева электродвигателя подъема экскаватора ЭКГ-10. Заводская схема возбуждения. Минимальная температура нагрева ДП 29,5°С. Максимальная температура нагрева ДП 86,8°С. Температура воздуха +20 °С
Рисунок 12 – Изотермы нагрева электродвигателя подъема экскаватора ЭКГ-10. Схема форсированного возбуждения. Минимальная температура нагрева ДП 21,5°С. Максимальная температура нагрева ДП 56,4°С.
Температура воздуха +20 °С
Рисунок 13 – Изотермы нагрева электродвигателя напора экскаватора ЭКГ-10. Заводская схема возбуждения. Минимальная температура нагрева ДН 28,8°С. Максимальная температура нагрева ДН 53,1°С. Температура воздуха +20 °С.
Рисунок 14 – Изотермы нагрева электродвигателя напора экскаватора ЭКГ-10. Схема форсированного возбуждения. Минимальная температура нагрева ДН 16,0°С. Максимальная температура нагрева ДН 48,7°С. Температура воздуха +20 °С.
Исследованию эффективности работы сетевых синхронных электродвигателей (СД) на карьерных экскаваторах посвящена шестая глава диссертационной работы.
Корпорация «ИЗ-КАРТЭКС» в настоящее время поставляет карьерные экскаваторы ЭКГ-10, ЭКГ-8УС с различной комплектацией электрических машин и двумя типами преобразовательных агрегатов. Выход из строя синхронных электродвигателей на карьерных экскаваторах зависит от многих причин, одна из которых – осуществление многократного прямого пуска СД.
В диссертации разработана математическая модель явнополюсного синхронного электродвигателя (3) для карьерного экскаватора, имеющего симметричную трехфазную обмотку на статоре, а на роторе, кроме обмотки возбуждения, демпферные клетки по продольной и поперечным осям, которая позволяет выполнить исследование переходных процессов пуска СД при питании от карьерной сети на ЭВМ.
(3)
где 
; 
;
; 
.
Главной особенностью данной модели является то, что она разрабатывалась исходя из условия максимального приближения математической модели к структуре реального привода.
Для математического моделирования СД выполнен переход от неподвижной системы координат к подвижной, связанной с текущим положением ротора (от,, 0 к d, q, 0) (рис.15), что позволяет рассчитать компоненты результирующего вектора тока статора по осям d и q соответственно (рис. 16).
Рисунок 15 – Магнитные оси в Рисунок 16 – Векторная диаграмма СД
синхронной машине
Процесс пуска СД разбивается на два этапа: время асинхронного пуска, т.е. время от момента подключения к сети до момента времени, после которого частота вращения не выходит из интервала (0,95…1,05)nСИНХ, и время синхронизации tСИНХ (не более 1 с), в течение которого ротор совершает малые затухающие колебания.
Методами структурного моделирования с использованием математического пакета Matlab v6.5 и его расширения для моделирования динамических процессов Simulink проведено исследование переходных процессов пуска приводного синхронного двигателя карьерного экскаватора ЭКГ-10 типа СД800 – 6У2 (рис.17) на ЭВМ при следующих условиях: экскаватор запитан на ВЛ-6 кВ, напряжение сети 6,3 кВ, угол нагрузки =15о.
В результате моделирования получены осциллограммы, представленные на рис. 18, 19. Анализируя полученные осциллограммы, получаем следующие данные, характеризующие процесс пуска СД:
- длительность процесса пуска составляет 2,2 с.;
- пиковое значение тока ротора равно 485 А – первый бросок, затем просадка до 300 А и в конце пуска амплитуда тока ротора практически выравнивается и составляет 390 А. Затухание процесса характеризуется логарифмическим декрементом, равным 1,1;
- ток статора в динамике при пуске изменяется от 470 А – первый бросок тока, до 90 А в конце пуска.
После сравнения полученных результатов моделирования с осциллограммами пуска СД на карьерных экскаваторах (рис. 20) ошибка составляет не более 10%, что говорит об адекватности модели реальному объекту.
Рисунок 17 – Функциональная схема модели СД800 - 6У2
Наличие больших всплесков токов при пуске СД:
а) приводит к электродинамическим ударам и перегреву обмоток статора и ротора. Частые пуски сокращают срок службы СД. Поэтому число прямых пусков ограничено;
б) негативно влияет на работу СД других экскаваторов, запитанных от одного фидера подстанции (это выпадение СД из синхронизма, отказ цепей управления экскаваторов).
Для осуществления плавных пусков СД на экскаваторах должны применяться системы плавного пуска СД, позволяющие разогнать главный преобразовательный агрегат до подсинхронной скорости, и только после этого можно включать прямым пуском СД.
Рисунок 18 – Осциллограмма тока ротора при моделировании пуска
СД800 - 6У2
Рисунок 19 – Осциллограмма тока статора при моделировании пуска
СД800 - 6У2
Рисунок 20 – Осциллограммы прямого пуска синхронного электродвигателя типа СД800-6У2
Пусковой режим сетевых двигателей карьерных экскаваторов сопровождается протеканием в сети токов, значительно превышающих токи номинальных режимов, что отрицательно воздействует на двигатель и питающую сеть.
Дополнительный нагрев при пусках синхронных двигателей обусловливает ускоренный износ их изоляции и сокращает срок её службы.
В работе рассчитано снижение срока службы изоляции за год на примере синхронного приводного двигателя типа СД800 - 6У2 из-за прямых пусковых режимов исходя из следующих данных: пуск СД осуществляется 5 раз в сутки, длительность пуска до момента подачи напряжения на обмотку возбуждения составляет около 7 секунд.
Снижение срока службы изоляции СД за год за счет ежедневных пусков определяется следующим образом:
Z3=
-
, (4)
где 
- срок службы изоляции СД при отсутствии перегрузок; 
- срок службы изоляции СД с учетом перегрузок при пусках; ZН – износ изоляции за год при отсутствии перегрузок для 
=95 оС: Z1 - дополнительный износ изоляции обмотки ротора за год за счет пусков; Z2 – износ изоляции ротора при постоянной температуре обмоток 
=95 оС.
Общий износ изоляции за время нагрева и охлаждения обмотки синхронного двигателя
Z=
, (5)
где Т – постоянная времени нагрева обмотки двигателя, с; 
- температура нагрева обмотки при работе двигателя с номинальной нагрузкой, оС; 
- превышение температуры обмотки над температурой охлаждающего воздуха при номинальном токе, оС; k=
- кратность тока перегрузки; 
- время перегрузки, с.
Выполненные расчеты показали: срок службы изоляции обмотки ротора уменьшается на 40%. С ростом частоты пусков двигателей срок службы изоляции уменьшается в большей степени.
Для сетевых СД карьерных экскаваторов, работающих с резко переменной нагрузкой, система управления должна обеспечивать в первую очередь необходимую устойчивость и достаточное демпфирование качаний ротора.
В диссертации на основе метода исследования, основанного на сравнительном анализе изотерм нагрева СД, разработан способ опережающей форсировки (функциональная схема приведена на рис. 21), позволяющий повысить ток возбуждения СД до приложения нагрузки на величину, соответствующую прогнозируемому моменту.
Рисунок 21 – Функциональная схема опережающей форсировки СД:
ШВСД – шкаф возбуждения синхронного двигателя, ШУП – шкаф управления приводами, ЯСМП – ячейка снижения механических перегрузок, к/к подъёма – командоконтроллер подъёма, ЯСД 3 – ячейка синхронного электродвигателя.
Преимущества данного способа:
1) нет постоянного нагрева обмотки возбуждения СД при работе экскаватора, что влияет на увеличение срока службы изоляции этой обмотки;
2) разгружается слабое место СД – узел кольца - щётки. При такой работе он более надёжен;
3) при таком способе управления возбуждением требуется меньшее значение коэффициента форсировки со стороны тиристорного возбудителя, что приводит к сокращению времени переходного процесса;
4) СД практически не выпадает из синхронизма, т.е. нет ударов в обмотках статора, не «трещит» по швам демпферная обмотка;
5) при работе экскаватора улучшается наполняемость ковша. По статистике время погрузки железнодорожного транспорта сокращается на 10%.
Осциллограммы, поясняющие работу систем автоматического регулирования возбуждения (АРВ) СД (запись на Notebook через регистратор сигналов), представлены на рис. 22, 23, 24.
Рисунок 22 – Осциллограмма 1. Автоматическое регулирование тока
возбуждения СД800-6У2 экскаватора ЭКГ-10 с НКУ ОАО «Электросила».
Выполнялась погрузка руды в автотранспорт. Угол поворота 150°
При резком приложении нагрузки (векторное управление, рис. 22) происходит раскачивание ротора, появляется переменная составляющая в токе ротора. Одновременно растет ток статора до значения, превышающего номинальный ток СД. Iср.кв. = 266 А.
При резком приложении нагрузки (опережающая форсировка, рис. 23), обеспечением системой АРВ опережающей форсировки СД осуществляется плавное нарастание тока статора, не превышающего его номинальное значение. При снятии нагрузки система обеспечивает минимальный уровень возбуждения СД. Ток возбуждения СД не превышает 320 А. Iср.кв. = 234 А.
Для сравнения: микропроцессорная система управления (рис. 24) обеспечивает точечное значение форсировки возбуждения СД в функции нагрузки в каждый момент времени. При резком приложении нагрузки ток статора плавно возрастает, не превышает номинального значения. Ток возбуждения СД не превышает 273 А. Iср.кв. = 236 А.
Опережающая форсировка более проста в реализации и может быть применена для систем управления различных отечественных производителей.
Рисунок 23 – Осциллограмма 2. Автоматическое регулирование тока
возбуждения СД800-6У2.экскаватора ЭКГ-10 (опережающая форсировка). Выполнялась погрузка руды в автотранспорт. Угол поворота 150°
Применение данного способа управления возбуждением СД на карьерных экскаваторах ОАО «Лебединский горно-обогатительный комбинат» позволило:
1) снизить удельный расход электроэнергии (кВт ч / 1000 м3 горной массы) на экскаваторах, осуществляющих погрузку из прямого забоя, из забоя в автотранспорт и с перегрузочных складов на 15% - 30% и составило в среднем 12,1 кВт ч / 1000 м3;
2) увеличить срок службы синхронных электродвигателей: за год, после внедрения данного способа, число СД, прошедших капитальный и средний ремонт, уменьшилось на 8 единиц. Экономический эффект составил 467,3 тыс. руб.;
3) увеличить производительность экскаватора. При работе экскаватора улучшается наполняемость ковша. По статистике время погрузки железнодорожного транспорта сокращается на 10%.
Рисунок 24 – Осциллограмма 3. Автоматическое регулирование тока
возбуждения СД800-6У2 экскаватора ЭКГ-10 с НКУ ЭГ-РЦ-У2
ОАО «Рудоавтоматика». Выполнялась погрузка вскрыши в железнодорожный транспорт. Угол поворота 150°
С помощью тепловизора типа ThermaCAMTM P65 измерены изотермы нагрева синхронных электродвигателей экскаваторов ЭКГ-10 для разных систем АРВ СД.
Анализ полученных изотерм (рис. 25, 26) экскаваторов ЭКГ-10 позволяет сделать вывод о более эффективном использовании синхронного электродвигателя при применении способа обеспечении «мягкого» режима работы СД.
Рисунок 25 – Изотермы нагрева синхронного электродвигателя СД800 на ЭКГ -10 (опережающая форсировка). Экскаватор осуществлял погрузку руду в автомобильный транспорт из прямого забоя. Минимальная температура нагрева СД 51,6°С. Максимальная температура нагрева СД 81,1°С.
Температура воздуха +30 °С.
Рисунок 26 – Изотермы нагрева синхронного электродвигателя СД800 на ЭКГ-10 (векторное управление). Экскаватор осуществлял погрузку руду в автомобильный транспорт из прямого забоя. Минимальная температура нагрева СД 53,7°С. Максимальная температура нагрева СД 93,3°С.
Температура воздуха +30 °С.
Седьмая глава диссертации посвящена разработке рекомендаций и технических решений по эффективному функционированию электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Разработана методика оптимизации формы электромеханической экскаваторной характеристики электропривода копающего механизма карьерного экскаватора. Предложены рекомендации по применению:
- способа обеспечения «мягкого» режима работы сетевых синхронных электродвигателей на карьерных экскаваторах с различными системами управления;
- способа форсировки тока возбуждения электродвигателей подъема и напора в тяжелых условиях работы карьерного экскаватора;
- способа трассировки кабельных сетей;
- устройства кабельного канала на карьерных экскаваторах под низковольтное комплектное устройство;
- структуры электроприводов карьерного экскаватора с оптимизированной формой электромеханической экскаваторной характеристики электропривода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе теоретически обоснована и решена крупная научно-техническая проблема в области надежности и технической эксплуатации, заключающаяся в развитии теории анализа и синтеза функциональных свойств электротехнических систем карьерных экскаваторов, включающей математические модели, методы, закономерности и зависимости, позволяющие оценить показатели эксплуатационной надежности и пожароопасности электротехнических систем, обеспечить требуемые электромеханические экскаваторные характеристики в зависимости от допустимой температуры нагрева якоря, форсировку возбуждения электродвигателей копающих механизмов, «мягкий» режим работы для сетевых синхронных двигателей на основе опережающей форсировки возбуждения, предложить схемные решения по управлению электроприводами карьерных экскаваторов, что существенно повышает эффективность функционирования электротехнических систем карьерных экскаваторов и имеет важное хозяйственное значение для предприятий минерально-сырьевой отрасли.
Основные научные выводы и практические результаты, полученные лично автором, заключаются в следующем:
1. Получены модели безотказности и ремонтопригодности электротехнических систем карьерных экскаваторов, на основании которых доказано, что наиболее надёжной, эффективной в эксплуатации, имеющей достаточный резерв и адаптированной к обслуживающему персоналу является НКУ ЭГ-РЦ-У2 с микропроцессорным управлением, в которой используются результаты научных разработок диссертации. Установленные закономерности наработки на отказ и времени простоя ЭТС от срока службы экскаватора целесообразно учитывать в процессе технической эксплуатации для оценки показателей эксплуатационной надежности электротехнических систем карьерных экскаваторов.
2. Разработан метод исследования, основанный на сравнительном анализе изотерм нагрева электродвигателей копающих механизмов и синхронных электродвигателей, позволяющий предложить:
- способ форсировки тока возбуждения электродвигателей подъема и напора экскаватора. Установлено, что использование данного способа в производственных условиях позволяет снизить динамические удары в механизмах и электродинамические удары в обмотках электрических машин, следствием чего является увеличение срока службы механизмов, электрических машин и снижение затрат на их обслуживание; снизить удельный расход электроэнергии на экскаваторах на 5-10%; сократить время цикла экскавации, повысить производительность экскаватора - время погрузки транспорта сокращается на 10%;
- способ обеспечения «мягкого» режима работы сетевых синхронных электродвигателей карьерных экскаваторов. Техническая реализация способа позволила снизить удельный расход электроэнергии на экскаваторах на 15-30%, что составило в среднем 12,1 кВт*ч/1000 м3, уменьшить нагрев и увеличить срок службы синхронных электродвигателей – число СД, прошедших капитальный и средний ремонт, уменьшилось на 8 единиц в год в условиях ОАО «Лебединский ГОК».
- Разработана математическая модель сетевого синхронного двигателя карьерного экскаватора. Установлено, что пиковые пусковые токи статора и ротора имеют значительные величины и негативно влияют на режим электропотребления других карьерных электроприёмников, вследствие чего необходимо использовать системы плавного пуска СД. Доказано, что прямые пуски синхронных электродвигателей карьерных экскаваторов существенно влияют на снижение срока службы изоляции СД. В зависимости от частоты и длительности пуска срок службы изоляции ротора за год может уменьшиться на 40%.
- На основе анализа влияния различных форм электромеханической экскаваторной характеристики копающего механизма карьерного экскаватора на температуру нагрева якоря, полученную инструментальными измерениями, установлена зависимость температуры якоря от параметров якорной цепи, момента инерции двигателя и условий охлаждения двигателя, в которой форма экскаваторной характеристики и условия охлаждения двигателя учтены в виде коэффициентов, входящих в эту зависимость.
- Разработана методика оптимизации формы электромеханической экскаваторной характеристики электропривода копающего механизма карьерного экскаватора по критерию минимальной температуры нагрева якоря приводного двигателя, использующую зависимость температуры якоря от параметров якорной цепи, момента инерции двигателя и условий охлаждения двигателя.
- Разработана математическая модель электропривода копающего механизма карьерного экскаватора, синтезирующая требуемую форму электромеханической экскаваторной характеристики и позволяющая рассчитывать параметры системы управления и координаты электропривода с оптимальной формой экскаваторной характеристики.
- Разработан метод оценки пожароопасности электротехнических систем, позволяющий исследовать безопасность эксплуатации электротехнических систем карьерных экскаваторов. Доказано, что применение кабельного канала, устанавливаемого в кузове экскаватора, и специального способа прокладки кабельной сети позволяет уменьшить вероятность возникновения пожара на экскаваторе до 4,5 раза.
- Методики, способы и устройства, направленные на повышение эффективности функционирования электротехнических систем карьерных экскаваторов, приняты к внедрению в ОАО «Лебединский горно-обогатительный комбинат» (г.Губкин Белгородской обл.), ОАО «Стойленский горно-обогатительный комбинат» (г.Старый Оскол Белгородской обл.), ОАО «Михайловский горно-обогатительный комбинат» (г.Железногорск Курской обл.), ОАО «Рудоавтоматика» (г.Железногорск Курской обл.), ОАО «Объединенные машиностроительные заводы» (г.Санкт-Петербург), АО «Костанайские минералы» (г.Житикара Республики Казахстан).
Структура копающих электроприводов карьерного экскаватора с оптимизированной формой электромеханической экскаваторной характеристики электропривода, содержащей расчет коэффициентов усиления регуляторов и методику наладки, внедрена в ОАО «Рудоавтоматика» (г.Железногорск Курской обл.).
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации
Научные статьи, опубликованные в изданиях,
рекомендованных ВАК РФ
1. Павленко С.В. Совершенствование системы управления мощных экскаваторов для горнорудного производства // Горный журнал. – 2005. – № 3. – С. 67– 70.
2. Павленко С.В. Исследование режимов работы сетевых синхронных электродвигателей на карьерных экскаваторах ОАО «Лебединский ГОК» // Приводная техника. – 2009. – № 2. – С. 19 – 27.
3. Павленко С.В. Математическое моделирование пуска сетевых синхронных электродвигателей на карьерных экскаваторах ОАО «Лебединский горно-обогатительный комбинат» // Приводная техника. – 2009. – № 3. – С. 17– 24.
4. Павленко С.В. Исследование эффективности систем возбуждения сетевых синхронных электродвигателей на карьерных экскаваторах ОАО «Лебединский ГОК» // Новые промышленные технологии. – 2009. – №4. – С. 52 – 57.
5. Павленко С.В. Влияние прямого пуска на снижение срока службы изоляции синхронного электродвигателя типа СД800-6У2 // Приводная техника. – 2009. – № 4. – С. 19 – 21.
6. Павленко С.В. Экскаваторный электропривод: проблемы и решения // Приводная техника. – 2009. – № 4. – С. 13 – 18.
7. Павленко С.В. Исследование тепловых режимов работы электроприводов копающих механизмов карьерных экскаваторов // Приводная техника. – 2009. – № 5. – С. 27 – 31.
8. Павленко С.В. Исследование эффективности систем возбуждения сетевых синхронных электродвигателей карьерных экскаваторов // Горный журнал, – 2009. – № 12.– С. 52 – 54.
9. Павленко С.В. Исследование режимов работы сетевых синхронных электродвигателей с автоматическим регулированием возбуждения на карьерных экскаваторах ОАО «Лебединский ГОК» // Электротехника. – 2010. – № 3.– С. 25 – 32.
10. Павленко С.В. Шкода Р.В. Разработка мехатронной системы карьерного экскаватора ЭКГ-10 в режиме максимальных нагрузок // Электротехника. – 2010. – № 4.– С. 2 – 5.
11. Павленко С.В. Исследование безопасной эксплуатации электротехнических систем карьерных экскаваторов // Приводная техника. – 2010. – № 2. – С. 53 – 62.
12. Павленко С.В. Исследование динамических процессов пуска сетевых синхронных электродвигателей карьерных экскаваторов // Горный журнал. – 2010. – № 4.– С. 73 – 75.
13. Павленко С.В. Анализ безотказности электротехнического оборудования карьерных экскаваторов // Приводная техника. – 2011. - № 1. – С.20 – 25.
14. Павленко С.В. Методология исследования электротехнических систем карьерных экскаваторов // Приводная техника. – 2011. - № 1. – С.26 – 32.
15. Ляхомский А.В., Павленко С.В. Анализ ремонтопригодности электротехнического оборудования карьерных экскаваторов // Приводная техника. – 2011. – № 3. – С. 24 – 30.
16. Павленко С.В. Повышение эффективности работы электроприводов подъема и напора карьерных экскаваторов // Приводная техника. – 2011. – №3. – С. 31 – 33.
17. Павленко С.В. Повышение эффективности функционирования электротехнических систем карьерных экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика. – 2011. – № 4. – С.47 – 52.
Публикации в научных журналах и трудах
18. Павленко С.В. Экскаваторы с разными системами управления главных электроприводов для горнорудных предприятий. Статистический анализ надежности // Привод и управление. – 2001. – №1 С. 6-10.
19. Сафошин В.В., Лузянин А.М., Микитченко А.Я., Черкаев В.И., Греков Э.Л., Павленко С.В. Полупроводниковые преобразователи ОАО ”Рудоавтоматика” для экскаваторного электропривода // Привод и управление. – 2003. – № 1. – С. 30 – 39.
20. Павленко С.В. Сравнительный анализ и опыт эксплуатации отечественных систем управления главными электроприводами экскаваторов-лопат по схеме ТВ-Г-Д. // Электропривод экскаваторов: Доклады научно-практического семинара, 3 февраля 2004 г., Москва. – М.: Изд-во МЭИ, 2004. – С. 45 – 62.
21. Павленко С.В. Системы тиристорный возбудитель-генератор-двигатель отечественного производства для экскаваторов-лопат. Сравнительный анализ и опыт эксплуатации // Привод и управление. – 2004. – № 1 – 2. – С. 57– 64.
22. Павленко С.В. Усовершенствование электрооборудования систем управления электроприводов экскаваторов для горнорудного производства // Горное оборудование и электромеханика. – 2005. – № 1. – С. 10 – 13.
23. Микитченко А.Я., Греков Э.Л., Павленко С.В. Применение блочных систем на базе микросистемной техники в экскаваторном электроприводе. // Горное оборудование и электромеханика. – 2005. – № 5. – с. 8 – 13.
24. Павленко С.В. Всё начинается с карьерного экскаватора // Бизнес-центр. – 2005. – 29 апреля.
25. Павленко С.В. Экскаватор, как «Жигули» // Рабочая трибуна. – 2005. – 18 февраля.
26. Павленко С.В. Современная система управления главными электроприводами карьерных экскаваторов // Вестник Белгородского университета потребительской кооперации. – 2005. – № 4. – С. 189 – 191.
27. Павленко С.В. Электропривод экскаваторов-лопат для горнорудного производства // Проблемы создания перспективных систем электроприводов и НКУ в горных машинах. Доклады научно-практического семинара 11-12 октября 2006 года. – Железногорск: ОАО «Рудоавтоматика». – 2006. – С. 27– 36.
28. Павленко С.В. Электропривод перегонной станции для экскаваторов и буровых станков // Труды V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу 18-21 сентября 2007 года. – Санкт-Петербург, 2007. – С. 338 – 339.
29. Павленко С.В. Эффективность работы приводных синхронных электродвигателей на карьерных экскаваторах ОАО «Лебединский ГОК» // Горное оборудование и электромеханика. – 2007. – № 6. – С. 7 – 12.
30. Павленко С.В. Эксплуатация карьерных экскаваторов с современными цифровыми системами управления в ОАО «Лебединский ГОК» // Горное оборудование и электромеханика. – 2007. – № 11. – С. 21 – 26.
31. Павленко С.В. Электропривод экскаваторов-лопат для горнорудного производства // Горное оборудование и электромеханика. – 2008. – № 2. – С. 34 – 38.
32. Павленко С.В. Способ трассировки кабельной продукции на карьерных экскаваторах // Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. – 2009. – ОВ8. – С. 375 – 384.
33. Павленко С.В. Метод анализа тепловых режимов работы электроприводов копающих механизмов карьерных экскаваторов // Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. – 2009. – ОВ8. – С. 366 – 375.
Патенты
34. Способ обеспечения «мягкого» режима работы сетевых синхронных электродвигателей на карьерных экскаваторах (ЭКГ): Патент РФ на изобретение № 2260242. / С.В.Павленко, Маклаков В.Е., Хомяков С.Ф., Гончаров Е.Д.; Заявл. 15.12.2003, № 2003136365. Опубл. 10.09.2005. – Бюл. № 25.
35. Устройство кабельного канала на карьерных экскаваторах (ЭКГ) под низковольтное комплектное устройство (НКУ): Патент РФ на изобретение № 2268523. / С.В.Павленко, Маклаков В.Е., Хомяков С.Ф., Гончаров Е.Д.; Заявл. 15.12.2003. № 2003136366. Опубл. 20.01.2006. – Бюл. № 02.
36. Способ размещения низковольтных кабелей на карьерном экскаваторе (ЭКГ): Патент РФ на изобретение № 2324790. / Заявл. 25.09.2006. № 2006134106; Опубл. 20.05.2008. – Бюл. № 14.
37. Устройство электропривода перегонной станции: Патент РФ на изобретение № 2330958. / С.В.Павленко, Маклаков В.Е., Хомяков С.Ф., Гончаров Е.Д.; Заявл. 25.09.2006. № 2006134117; Опубл. 10.08.2008. – Бюл. № 22.
38. Способ форсировки тока возбуждения электродвигателей подъема и напора карьерного экскаватора (ЭКГ): Патент РФ на изобретение № 2400008. / С.В.Павленко, Маклаков В.Е., Хомяков С.Ф., Гончаров Е.Д.; Заявл. 28.07.2009. № 2009129146. Опубл. 20.09.2010. – Бюл. № 26.
