МІНІСТЕРСТВО освіти І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРнича АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

САМІ МУХАМЕД АмІн Раджи Хаджахмад

удк 622.62-83:621.313

Оперативно формовані джерела автономного аварійного живлення електроприводів головних вентиляторних установок шахт

05.09.03 - "Електротехнічні комплекси та системи"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем електропостачання Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Рогоза Михайло Валентинович, Національна гірнича академія України, Міністерство освіти і науки України, професор кафедри систем електропостачання.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Сінчук Олег Миколайович завідувач кафедри систем електричної тяги Української державної академії залізничного транспорту, Міністерство транспорту України (м. Харків).

Кандидат технічних наук, доцент Чорний Олексій

Петрович, Кременчуцький державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України,

доцент кафедри комп'ютерних і інформаційних систем.

Провідна установа:

Донецький національний технічний університет, Міністерство освіти і науки України, кафедра електропривода та автоматизації промислових установок

Захист відбудеться “_14_”_березня_2002 р. у _14-00_ час. на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 08.080.07 у Національній гірничої академії

України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, 27. пр. Карла Маркса, 19. тел. 47-24-11)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної гірничої

академії України за адресою: м. Дніпропетровськ, 27, ін. Карла Маркса, 19.

Автореферат розісланий “_11_”_лютого__2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

канд. техн. наук, доцент В.Т. Заїка

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Стан і актуальність проблеми. Проблема аварійності електроустаткування, надійності систем електроживлення промислових підприємств, соціально-побутового сектора, сільського господарства є загальновизнаною і, поряд із проблемою енергозбереження, відноситься до числа найважливіших, пріоритетних у країні. Досвід показує, що збитки від аварійних перерв енергозабезпечення з кожним роком зростають, незважаючи на недовантаження виробничих потужностей. Це пояснюється тяжкістю і кількістю аварій, прямо пов'язаних зі зношеністю обладнання. У цьому зв'язку очевидне зростання витрат на ліквідацію аварій.

Одним з важливих шляхів локалізації наслідків під час аварійного припинення електропостачання об'єкта є резервування потужностей, що генерують, в обсязі, який забезпечує аварійне живлення споживачів. Електроприймачі 1-ї категорії повинні, відповідно до правил пристрою електроустановок (ПУЕ), забезпечуватися електроенергією від двох незалежних джерел живлення, що взаємно резервують. Відновлення живлення споживачів здійснюється шляхом автоматичного включення резервних джерел (АВР) замість ушкоджених. Пристрої АВР застосовують для включення резервних ліній, трансформаторів, сполучних вмикачів і т. ін. Пристрої АВР одержали широке поширення і дають можливість відновити електропостачання через 0,3...0,4 с. Як показує аналіз даних про роботу АВР, їх успішна дія складає 90...95%. Однак, у випадку значних системних аварій довгої тривалості ці пристрої практично не впливають на надійність електропостачання гірничих підприємств.

Відповідно до ПУЕ в якості другого незалежного джерела живлення можуть бути використані, у тому числі, спеціальні агрегати безперебійного живлення, акумуляторні батареї. Через те, що потужність споживачів електроенергії гірничих підприємств досить велика, використання акумуляторних батарей не представляється можливим. Тому одним з альтернативних рішень є створення систем електроживлення шляхом формування їх з наявного штатного електротехнічного обладнання. Відомо, що ряд технологічних і транспортних машин має у своєму складі енергосилові установки з генераторами постійного або змінного струму: тепловози з дизель-генераторною установкою (потужність таких установок знаходиться в межах (2500...4000 кВт), надпотужні тягачі, бульдозери і скрепери з електромеханічною трансмісією, великовантажні автомобілі й т. ін.

В даний час просліджується тенденція більш широкого використання транспортних систем з бортовими силовими електроенергетичними установками.

Аналіз показує, що вихідні параметри електроенергетичних установок не відповідають існуючим показникам промислового і побутового обладнання за рівнем напруги живлення або частоти. Тому наявні енергосилові установки транспортних чи технологічних систем не можуть використовуватися за прямим призначенням без додаткового узгодження їх вихідних параметрів з енергетичними параметрами устаткування, яке повинне одержувати живлення від джерела аварійного енергозабезпечення.

В даний час з'явилася реальна можливість створення оперативно формованих джерел електроенергії на основі перетворювальної техніки нового покоління, що відрізняються надійністю і високими енергетичними і низькими вагогабаритними показниками.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження по темі дисертаційної роботи проводилися в рамках комплексної програми енергозбереження, прийнятої постановою № 911 Верховної Ради України від 15.11.1995 р. в Національній гірничій академії України МП-60, № держреєстрації 0199U001685 і національної програми покращення охорони праці на 1996-2000 р. № 1345, прийнятої Кабінетом Міністрів України від 2.11.1996 р.

Мета і задачі досліджень.

Метою дисертаційної роботи є обґрунтування принципів створення і розробка режимів оперативно формованих джерел живлення з використанням сучасних енергосилових установок транспортних засобів і систем перетворювальної техніки.

Наукові задачі:

-

-

-

-

-

-

-

Об'єктом дослідження є процеси створення і роботи оперативно формованих джерел живлення (ОФДЖ) на базі транспортних засобів і їхнього узгодження з параметрами режиму споживачів.

Предметом дослідження є принципи утворення та узгодження параметрів бортових енергосилових установок транспортних систем з електроприводами головних вентиляційних установок (ГВУ) шахт та визначення меж ефективної роботи ГВУ від джерел обмеженої потужності на основі врахування зв’язку між продуктивністю установки та параметрами системи керування.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач у роботі використані методи математичного моделювання розрахунку перехідних режимів, методи теорії електричних машин і автоматизованого електропривода для побудови структурних схем системи, теорії автоматичного керування для синтезу регуляторів, методи синтезу програмного та інформаційного забезпечення. Експериментальна перевірка основних положень виконана за допомогою комп'ютерного моделювання і лабораторно-стендових випробовувань.

Ідея роботи полягає у використанні енергосилових установок технологічних транспортних машин з електричною трансмісією як первинного джерела енергозабезпечення шахтних турбомеханизмов і, насамперед, вентиляторів із транзисторними перетворювачами частоти як узгоджувального пристрою енергосилової установки із силовими колами промислових електроприводів.

Основні наукові положення і їх новизна.

Наукові положення:

1.

2.

Наукові результати:

1.

2.

3.

Практичне значення отриманих результатів.

-

-

-

-

-

Достовірність отриманих у роботі наукових результатів підтверджується застосуванням сучасних методів математичного моделювання, розрахунку перехідних режимів, методів теорії електричних машин і автоматизованого електропривода для побудови структурних схем, теорії автоматичного керування для синтезу регуляторів, методи синтезу програмного й інформаційного забезпечення, експериментальною перевіркою основних положень за допомогою комп'ютерного моделювання і лабораторно-стендових випробувань.

Особистий внесок здобувача.

Автор особисто сформулював мету і задачі досліджень, наукові положення і результати, виконав теоретичну частину роботи, узяв безпосередню участь у проведенні лабораторних і промислових випробовувань. Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів, що виносяться на захист:

-

-

-

-

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві: [2, 3, 6] запропоновані принципи побудови й особливості узгодження автономних аварійних джерел електроприводів вентиляторних установок; [4, 5] виконаний аналіз режимів роботи при створенні автономних джерела відповідальних споживачів; [8] виконане врахування впливу технологічних параметрів вентиляторної установки на динаміку ОФДЖ; [9] запропоновані схемні рішення для створення ОФДЖ; [10] запропоновано описувати поліномами періодичні залежності кіл живлення електромеханічних систем.

Апробація результатів роботи.

Основні наукові положення і результати досліджень були представлені у формі доповідей на щорічних наукових конференціях у НГА України (1998, 1999р.), на конференції "Проблеми створення нових машин і технологій" у м. Кременчук (1999 р.), на міжнародній конференції "Проблеми автоматизованого електропривода" (ХПУ 2000р.).

Реалізація результатів досліджень.

Результати роботи використовуються при створенні формованих автономних резервних джерел живлення, у плані робіт, що виконувались на кафедрі систем електропостачання НГА України. Результати використовуються в навчальному процесі в НГА України і КДПУ, у проектних рішеннях НПФ “Атом” м. Кременчук і “Електромашпромсервіс” м. Кривий Ріг, а також ЗАТ “Запорізький залізорудний комбінат” при створенні формованих джерел автономного електроживлення. У дисертації наведені відповідні документи про використання результатів роботи. На технічній раді при головному інженері шахти "Жовтнева" ЗАТ "КЗРК" підтверджена актуальність дисертаційної роботи і визначені заходи щодо створення оперативно формованих джерел живлення для потреб шахти.

Публікації.

Основні положення дисертаційної роботи викладені в 10 наукових працях, з них 7 – у співавторстві, 7 у фахових виданнях, 3 – матеріали конференцій.

Структура й обсяг роботи.

Повний обсяг дисертаційної роботи складає 208 сторінок машинописного тексту, що містить вступ, п'ять розділів і висновки по роботі, список використаних літературних джерел зі 115 найменувань, шести додатків. Дисертація містить 111 сторінок загального обсягу, 54 малюнка на окремих сторінках, 13 таблиць на окремих сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність поставлених наукових задач, сформульовані мета і задачі досліджень, приведені основні наукові положення, новизна наукових результатів, дані про практичну значимість роботи.

У першому розділі виконаний аналіз причин, що визначають актуальність роботи зі створення автономного аварійного живлення промислових електроприводів, від працездатності яких залежить життєдіяльність об'єктів і нормальні умови роботи людей. В умовах шахт такими електроприймачами є вентилятори головного провітрювання, водовідливні установки. Передбачається резервування джерел живлення зазначених споживачів, однак можлива повна втрата живлячої напруги через стихійні лиха. Збитки від них величезні.

Сформульована теза про зниження кількості спеціалізованих резервних електростанцій за рахунок оперативно формованих джерел, що включають в себе енергосилові транспортні системи з електромеханічною трансмісією, а також пристрої узгодження параметрів енергії бортової мережі транспортного засобу з промисловими енергоприймачами. Спроби реалізації таких систем носять епізодичний характер і, в основному, виникають у момент практичних дій по усуненню наслідків природних катастроф.

Виконаний аналіз роботи енергосилових установок транспортних систем відносно напруги і потужності. Доведено, що установки великовантажних автомобілів, тепловозів та ін. можуть виконувати роль первинних енергосилових установок для живлення промислових споживачів. У роботі виконаний аналіз сучасних перетворювальних систем, виконаних на базі замикаючої напівпровідникової техніки (замикаючих тиристорів GТО і транзисторів IGBT). Показано, що параметри сучасних перетворювачів частоти по вхідним параметрам досить близькі до вихідних параметрів транспортних систем, і вони можуть бути основою для узгодження енергетичних характеристик установки, що генерує, і приймача.

Виконаний аналіз питання вибору параметрів установки при аварійному живленні. Встановлено, що основний показник, який визначає продуктивність вентилятора, є кількість працюючих у шахті людей.

Виконана класифікація автономних аварійних джерел живлення (рис.1), визначені мета і задачі, які необхідно вирішувати під час їх дослідження.

Рис.1. Класифікація автономних аварійних джерел живлення

промислових електроприводів.

В другому розділі аналізується питання узгодження енергосилових установок транспортних засобів із промисловою мережею. Встановлено, що режим аварійного провітрювання може бути здійснений при швидкості обертання вентилятора, яка дорівнює або вижче половини номінальної. Потужність, споживана двигуном, при цьому повинна бути

(1)

де показник ступеня ( ); коефіцієнт, що характеризує відносний момент навантаження при номінальній швидкості.

Режим роботи системи можливий у випадку, якщо на зниженій частоті критичний момент двигуна буде дорівнювати або більше статичного моменту. У відносних одиницях цією умовою буде:

, (2)

де перевантажувальна здатність асинхронного двигуна відносно моменту; відносне значення напруги живлення; відносна частота живлення асинхронного двигуна; -- момент, що розвивається двигуном при зниженій швидкості обертання.

У якості пристроїв узгодження передбачається використовувати стандартні вузли й агрегати, що випускаються промисловістю і використовуються на гірничодобувних підприємствах. На підприємствах, обладнаних піднімальними установками з приводом по системі генератор-двигун (Г-Д), електричними екскаваторами з аналогічною системою привода, узгодження досягається за допомогою перетворювальної частини системи Г-Д за схемою: двигун постійного струму генератор мережний двигун. На підприємствах, обладнаних тиристорними електроприводами, доцільно застосування систем узгодження з електромашинними перетворювачами, які вміщують перетворювальне обладнання тиристорних електроприводів, синхронні двигуни вентиляторів та компресорів. Більш просто реалізується цей варіант при узгодженні з транспортними системами, обладнаними генераторами змінного струму.

Існуючі підходи до узгодження, як показано в роботі, полягають у двох напрямках. У першому вихід системи постійного струму підключається до інвертора напруги, живлячого безпосередньо споживачів; у другому вихід системи постійного струму пов'язується з існуючими технологічними мотор-генераторними перетворювачами (система Г-Д), або сполучується з інверторною частиною перетворювача частоти (якщо привод вентилятора здійснюється за схемою вентильного двигуна).

Аналіз характеристик енергетичних установок транспортних засобів указує на відсутність можливості безпосереднього, прямого їх використання для цілей аварійного резервного живлення. Це обумовлюється наступними факторами: а) в системах з генератором постійного струму очевидна непогодженість параметрів електричної енергії з основними споживачами, у якості яких, як правило, використовуються електроприводи змінного струму; б) в схемах енергосилових установок із синхронними генераторами фактором неузгодженості є частота на виході генератора (150...400 Гц), що, як правило, вище промислової. За таких умов очевидна необхідність установки додаткових пристроїв і систем узгодження, що забезпечують взаємну сумісність параметрів енергосилової установки (ЕСУ) з параметрами систем електропривода.

Для узгодження енергосилової установки з промисловою мережею був виконаний аналіз різних схемних рішень.

Системи узгодження з інверторами напруги істотно простіші і можуть реалізовуватися в двох варіантах: для прямого живлення двигуна, чи через підвищувальний трансформатор, що погоджує. Через обмеження по потужності перший варіант є основним для живлення двигунів вентиляторів з вихідними частотами перетворювача істотно нижче 50 Гц, а другий для живлення споживачів, швидкість яких повинна бути близька до номінального (двигуни водовідливних установок), рис.2.

Різноманітність схемних рішень електроприводів вентиляторних установок визначає різні підходи до узгодження енергосилових установок через перетворювачі частоти: а) системи електропривода з асинхронними двигунами з фазним ротором за допомогою живлення їх через ротор; б) дводвигунні системи з аналогічними двигунами шляхом послідовного їх підключення до кола статор-статор і постачання через ротор; в) асинхронні високовольтні двигуни з короткозамкненим ротором при постачанні через трансформатор з аеродинамічним регулюванням вентилятора; г) синхронні двигуни з прямим регулюванням напруги, частоти і струму збудження.

При використанні асинхронних фазних двигунів перспективна система живлення з боку ротора. Для асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором застосовується варіант частотного керування, при якому частота напруги живлення фіксована відповідно до продуктивності, а рівень напруги такий, при якому робоче ковзання близьке до критичного. Момент, що розвивається двигуном, близький до критичного моменту.

Істотну роль у забезпеченні резервного живлення відіграє дизельна установка транспортного засобу. Тому важливою задачею є забезпечення автоматичного регулювання режимами роботи приводом постачання палива. Керування постачанням палива здійснюється педаллю або рукояткою.

Встановлено, що існує два способи реалізації керування приводом постачання палива: 1) в існуючу систему керування паралельно перемикаючим контактам додають контакти додаткових реле, що спрацьовують за сигналами бортового комп'ютера, а для регулятора постачання палива встановлюють спеціальний привод з поступальним рухом, що переміщає рейку паливного насоса за сигналами бортового комп'ютера; 2) до педального механізму регулювання ходу приєднують привод, що відтворює рухи педалі.

Для механізму регулювання режимів роботи енергосилової установки кращим варіантом є додатковий привод механізму педального керування ходом.

Третій розділ присвячений аналізу режимів енергоспоживання джерел аварійного живлення вентиляторів головного провітрювання шахт.

Використання аеродинамічного способу регулювання продуктивності вентиляторної установки дозволяє знизити максимальні напруги енергосилової установки (ЕСУ) транспортного засобу приблизно на 20 %, якщо немає обмежень за струмковим навантаженням двигуна, а також знизити струмкове навантаження двигуна і перетворювача при відсутності твердих обмежень на напругу живлення ЕСУ транспортної системи.

У роботі показано, що при прямому живленні двигунів вентиляторів робоче ковзання близьке до критичного при заданій частоті (у асинхронних двигунів), кут вибігу ротора близький до (у синхронних двигунів), що вказує на необхідність визначення струмового завантаження двигунів з одного боку, визначення умов статичної усталеності з іншої. Таким чином, у режимі живлення з безпосереднім підключенням високовольтного двигуна до перетворювача частоти аеродинамічне регулювання варто розглядати як міру, завдяки якій знижується момент на валу двигуна при максимальній його швидкості (див. (2)).

Аналіз розподілу потоків енергії в системі аварійного електропостачання на базі ТС показує, що дизель є найбільш енергоємним об'єктом, що працює, як правило, з коефіцієнтом корисної дії близьким, до 0,35...0,4. Це визначається, насамперед, термоенергетичними процесами горіння палива, його характеристиками і т. ін. Унаслідок цього необхідний пошук раціонального режиму роботи дизеля в залежності від вилученої від ЕСУ потужності.

Встановлено, що в системах електропривода з електромеханічним пристроєм узгодження на базі вентильного двигуна (ВД) додаткові можливості для мінімізації загальних втрат виникають при регулюванні кута випередження інвертора і струму збудження синхронного двигуна. Так, визначено, що: питомі втрати активної потужності при регулюванні реактивної потужності ВД істотно залежать від кута керування випрямляча і знаходяться в межах 60…115Вт/кВАр при номінальному струмовому навантаженні; питомі втрати значно зростають при зменшенні струмового навантаження ВД і зменшуються при збільшенні встановленої потужності синхронного двигуна.

Аналіз ступеня завантаження асинхронного двигуна при прямому живленні від автономного джерела показав, що в такому варіанті електроживлення асинхронного двигуна , , а струмове навантаження знаходиться на припустимому рівні. Тому даний варіант може бути використаний при побудові системи автономного аварійного електроживлення.

Аналіз режимів роботи синхронних двигунів вентиляторів при прямому живленні від системи автономного аварійного електроживлення показав, що закон зміни струму збудження визначається струмом у силовому колі за умовою . Сформулювавши певним чином залежності і , можна одержати відповідність вихідних параметрів ПЧ із параметрами живлення двигуна при заданій залежності статичного моменту від швидкості.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений розробці систем керування електроприводом ГВУ при аварійному автономному живленні. Запропонована структура енергетичного комплексу (рис.3). Додаткові модулі, необхідні для формування джерела: інвертор для перетворення силової вихідної напруги в напругу необхідної частоти (силовий модуль), стабілізоване джерело живлення власних потреб інвертора і модуль керування.

Модуль керування здійснює в автоматичному режимі управління енергосиловою установкою з перетворювачем. Можливо ручне керування, при якому оператор установлює необхідну паливоподачу для дизеля, в залежності від споживаної навантаженням потужності.

Стабілізоване джерело живлення одержує постачання від генератора власних потреб і представляє типовий транзисторний інвертор з вихідною потужністю 450...500 Вт.

Сервісні модулі доцільно встановлювати безпосередньо на транзисторній системі у зв’язку з їх малими габаритами.

У роботі показано, що при наявності даних про параметри електричної машини і вентилятора, а також з урахуванням потужності, навантаження, легко визначаються наступні параметри: швидкість обертання вала асинхронного двигуна; потужність на валу вентилятора; продуктивність і напір вентилятора.

Запропонований алгоритм роботи системи керування, що формує керуючий вплив для мінімізації витрат палива при виконанні технологічних вимог за продуктивністю і напором.

Рис.3. Структура енергетичного комплексу автономного

формованого джерела живлення

Як уже було наведено раніше, можливе електроживлення за трансформаторним варіантом від підвищувального трансформатора або з використанням схеми вентильного двигуна. При цьому вентильний двигун на базі тиристорного інвертора запускається від перетворювача частоти. Надалі при досягненні ЕРС інвертора величини, рівної напрузі на виході транспортного засобу, інвертор підключається на його вихід. Кут випередження керування при цьому встановлюється на рівні 45...600 з метою поліпшення його працездатності. Регулювання швидкості при цьому здійснюється шляхом зміни струму збудження. Умова, при якій можливе функціонування системи визначається з (3)

(3)

де кут випередження інвертора; струм порушення двигуна; С постійний коефіцієнт; еквівалентний опір за винятком опору контуру комутації інвертора.

Аналіз показує, що при кутах система електропривода схильна до коливань реакції якоря, що розмагнічує.

Виконаний аналіз стійкості системи керування електроприводом ГВУ при аварійному живленні з урахуванням впливу вентиляторної мережі. Структура турбомеханізму, що працює на мережу, має вигляд (рис.4). Якщо представити привідний двигун вентилятора електромеханічної системи найпростішою лінійною машиною з активним опором у силовому колі та коефіцієнтами моменту і ЕРС , то маємо передатну функцію "момент двигуна – швидкість вентилятора"

Рис. 4. Структура вентилятора, що працює на мережу

(4)

де - сталі часу, що визначають динаміку зміни продуктивності і напору при роботі агрегату; - сумарний момент інерції двигуна і вентилятора.

Як видно з (4), передатна функція має третій порядок поліномів, унаслідок чого в системі можна очікувати нестійкі режими роботи навіть при відсутності зовнішніх зворотних зв'язків. З (4) випливає нормоване характеристичне рівняння

, (5)

де ; параметри Вишнеградського;

Таким чином, за допомогою діаграм Вишнеградського легко визначити стійкість системи керування і характер перехідного процесу.

Визначені границі стійкості системи керування. Показано, що методи визначення параметрів електропривода, зокрема, методи настроювання параметрів регуляторів, стосуються в основному випадку, коли або коли він постійний. Стосовно вентиляторних установок необхідні методи синтезу регуляторів, що враховують безпосередньо динамічні властивості навантаженого турбомеханізму. Через відсутність методології визначення параметрів таких регульованих систем електропривода, виникає необхідність установки додаткових пристроїв і систем, що забезпечують спільну роботу привода і механізму.

У роботі виконаний комплекс досліджень динамічних режимів роботи електропривода з вентильним двигуном ГВУ з урахуванням впливу вентиляторної мережі. Аналіз отриманих кривих показує, що зміна струму в силовому колі при керуючому впливі відбувається під впливом процесів, що протікають в аеродинамічній мережі без участі контуру регулювання швидкості. Зроблений висновок про доцільність синтезу регуляторів швидкості і струму, що враховує параметри аеродинамічної мережі. Синтезований цифровий регулятор для корегування перехідних процесів в електроприводі вентилятора, який працює на вентиляційну мережу. Через значні сталі часу вентиляційної мережі і вентилятора вимоги до цифрового коригувального контуру – спеціалізовані регулятори струму визначають його граничну швидкодію. Система автоматичного регулювання електропривода повинна мати затриманий зворотний зв'язок відносно струму, що впливає на механізм паливоподачи первинного теплового двигуна.

Одним з варіантів реалізації електропривода ГВУ є варіант живлення асинхронного двигуна з боку ротора. Встановлена можливість живлення асинхронного двигуна з боку ротора від перетворювача частоти з лінійною напругою 600 В, і частоті напруги живлення 25 Гц.

У п'ятому розділі виконані експериментальні дослідження експериментальної моделі автономного пристрою живлення асинхронного двигуна. Модель генераторного обладнання представлена асинхронним двигуном і генератором постійного струму. Якірне коло двигуна з'єднане з інвертором. Необхідна напруга на затисках інвертора встановлюється за допомогою реостата. Електропривод вентилятора реалізований за допомогою асинхронного двигуна, підключеного до інвертора. Вентиляторне навантаження на валу асинхронного двигуна моделюються за допомогою машини постійного струму.

При випробовуваннях асинхронного двигуна з установкою номінальної напруги і задаванні різного темпу зміни частоти живлення були отримані режими розгону, що виключають перевантаження по струму як перетворювача, так і генератора. Встановлено, що для запобігання перевантаження первинного двигуна темп зміни частоти перетворювача повинний бути менше часу запізнювання системи регулювання паливоподачи. При виконанні закону керування можлива усталена робота асинхронного двигуна у всьому діапазоні ковзань двигуна, починаючи з частот 30...25 Гц і нижче.

Запропоновані пристрій контролю ККД вентиляторної установки, що включає блок визначення КПД, блок обчислення тиску вентилятора і втрат енергії, а також технічне рішення енергетичної установки для формування ОФДЖ.

Дана оцінка економічних показників формованої системи автономного резервного живлення. З порівняльного аналізу варіантів автономного живлення:

1) стандартна автономна електростанція типу ПАЭС-1250(2500) виробництва Запорізького об'єднання “Мотор-Січ”; 2) формоване джерело на базі маневрового тепловоза відповідної потужності з мотор-генераторним узгоджувальним перетворювачем; 3) формоване джерело на базі маневрового тепловоза і транзисторного перетворювача частоти на IGBT-транзисторах з напругою 660В випливає, що мінімальною є витратна частина по третьому варіанту. Тому доцільним є ОФИП на базі маневрового тепловоза і транзисторного перетворювача частоти на IGBT-транзисторах з напругою 660В.

Показано, що формована система на базі тепловоза й інвертора потужністю 200 кВт, фірма АВВ, дозволять реалізувати аварійне живлення синхронного двигуна вентилятора потужністю 1200 кВт.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача, яка полягає в обґрунтуванні принципу формування на період аварій заміщуваного джерела живлення, яке формується оперативно на основі бортової силової мережі транспортної системи напругою 0,6...0,825 кВ через пристрій, що узгоджує параметри бортової енергосилової установки і параметри електропривода без трансформації вихідної напруги; врахуванні впливу вентиляторної установки і вентиляційної мережі на режими роботи ОФДЖ для забезпечення статичної усталеності системи керування автоматизованим електроприводом установки, що живиться від джерела живлення обмеженої потужності та мінімізації енергоносіїв. Виконані в роботі дослідження дали змогу зробити наступні висновки:

1. Зростання кількості технологічних аварій і кліматичних катастроф приводить до необхідності забезпечення живлення споживачів шахт при аварійних порушеннях системи електропостачання. Аварійне живлення повинне забезпечувати роботу в аварійних умовах вентиляторних і водовідливних установок. Рішення такої задачі здійснюється шляхом створення ОФДЖ, що включають енергосилову установку транспортних систем і пристрою узгодження. У якості останнього доцільно використовувати серійні перетворювачі частоти на транзисторах або тиристорах, що замикаються, які широко застосовується як технологічне електроустаткування.

2. В умовах аварійного живлення можливе використання наступних схем узгодження енергосилових установок з електроприводами шахтних установок через перетворювач частоти: а) пряме живлення електродвигунів вентиляторів від генератора енергосилової установки через перетворювач частоти з вихідною частотою, не менше половини номінальної; б) використання ланки трансформації 0,4/6кв із метою одержання напруги 6 кВ, 50 Гц. В другому випадку енергосилова установка через перетворювач частоти і підвищувальний трансформатор зв'язується з мережею 6 кВ. Цей варіант застосовний для турбомеханізмів, які працюють на мережу з протитиском (водовідливні установки).

3. Потужність енергосилових установок тепловозів, великовантажних автомобілів і т. ін. (до 2500 кВт) у змозі забезпечити енергією вентиляторні і насосні установки з вихідною потужністю перетворювача частоти 150…2500 кВт.

4. При прямому живленні двигунів через перетворювач частоти вихідна потужність для живлення асинхронних двигунів обмежується перевантажувальною здатністю асинхронного двигуна при і відносній вихідній напрузі енергоустановок . Потужність двигуна вентилятора при цьому складає близько 0,15 % від номінальної.

5. При використанні синхронних двигунів режим роботи менш критичний, у зв'язку з тим, що існує можливість керування струмом збудження незалежно від напруги живлення. При близьких до середніх значень параметрах синхронних двигунів і напрузі живлення інвертора кут вибігу ротора синхронного двигуна знаходиться в межах . Це говорить про обмежений запас стійкості при максимальній частоті живлення в аварійному режимі .

6. Вплив вентилятора і вентильованої мережі на роботу ОФДЖ враховується шляхом створення замкнутих систем керування за продуктивністю і напором шляхом непрямого їх визначення через вхідну потужність інвертора і залежності, що апроксимують аеродинамічні характеристики. Вхідними контрольованими параметрам є струм і напруги на затисках статора двигуна, частота його живлення. Можливе використання комбінованого керування режимами вентиляторної установки, як по каналу швидкості обертання, так і по каналу аеродинамічного керування. При цьому другий канал як більш швидкодіючий, можна використовувати для підвищення стійкості системи “джерело живлення – двигун аеродинамічна мережа”.

7. Мінімізація витрат палива при виконанні технологічних вимог за продуктивністю і напором вентиляторної установки може бути здійснена за допомогою розробленого алгоритму керування енергосилової установки транспортного засобу і пристрою узгодження.

8. Підтверджена економічна доцільність прийнятого варіанта живлення електроприводів технологічних механізмів шахт при використанні штатного енергосилового устаткування, перетворювачів частоти як пристрою узгодження. Витратна частина при мотор-генераторному варіанті узгодження майже в 5 разів нижче, ніж при використанні стандартної аварійної станції. При узгодженні з перетворювачем частоти витратна частина на ОФДЖ знижується ще приблизно в 2 рази.

Основний зміст дисертації опублікований у наступних роботах:

1. Сами Мухаммед Амин Раджи Хадж Ахмад. Особенности согласования автономных источников питания с системами электропривода шахтных установок // Наукові праці КГПУ: “Проблемы создания новых машин и технологий”.-1999.-Вип.1-С.141-143.

2. Сами Мухаммед Амин Раджи Хадж Ахмад, Сизова С.П. Принципы построения систем управления вентиляторной установки при аварийном питании // Наукові праці КГПУ: “Проблемы создания новых машин и технологий”.-1999.-Вип.2-С.73-75.

3. Рогоза М.В., Сами Мухаммед Амин Раджи Хадж Ахмад. Создание формируемых источников питания ответственных потребителей // Вісник ХГПУ: “Проблеми автоматизованого електропривода”.-2000.-Вип.113-С.282-284.

4. Рогоза М.В., Сами Мухаммед Амин Раджи Хадж Ахмад. Режимы работы формируемого автономного аварийного источника при питании асинхронных двигателей вентиляторных установок // Науковий вісник НГАУ.-2000.-Вип.5-С.84-87.

5. Рогоза М.В., Сами Мухаммед Амин Раджи Хадж Ахмад. О задаче создания оперативно формируемых источников аварийного питания шахт // Науковий вісник НГАУ.-2001.-Вип.2-С.78-80.

6. Рогоза М.В., Сами Мухаммед Амин Раджи Хадж Ахмад. Регулирование режима работы шахтного вентилятора аэродинамическим способом при автономном энергопитании // Науково-технічний збірник НГАУ: “Гірнича електромеханіка й автоматика”.-2000.-Вип.65-С.72-77.

7. Сами Мухаммед Амин Раджи Хадж Ахмад, Рогоза М.В. Технические и экономические аспекты организации формируемых источников энергопитания // Наукові праці КГПУ: “Проблеми створення нових машин і технологій”.-2000.-Вип.2-С.152-154.

8. Сами Мухаммед Амин Раджи Хадж Ахмад, Рогоза М.В. Создание систем автоматизированного регулирования параметрами приводов турбомеханизмов шахт при питании от автономного источника // Технічна електродинаміка.-2001.-Вип.5-С.42-44.

9. Сами Мухаммед Амин Раджи Хадж Ахмад. Системы согласования энергосиловых установок транспортных средств с электромеханической трансмиссии с различными электроприводами главных вентиляторных установок шахт // Науково-технічний збірник НГАУ: “Гірнича електромеханіка й автоматика”.-2001.-Вип.67-С.6-14.

10. Сизова С.П., Сами Мухаммед Амин Раджи Хадж Ахмед. Описание степенными полиномами периодических зависимостей цепей питания электромеханических систем // Наукові труди КГПУ: “Проблемы создания новых машин и технологий”.-1999.-Вып.1-С.177-180.

Анотація

Самі Мухамед Амін Раджи Хаджахмад. Оперативно формовані джерела автономного аварійного електроживлення електроприводів головних вентиляторних установок шахт. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи. – Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена розробці та побудові оперативних джерел живлення при роботі в аварійному режимі шахтних вентиляційних установок та турбомеханізмів. Розроблені системи узгодження енергосилових установок транспортних засобів та їх застосування в якості оперативних джерел живлення. Виконана розробка елементів системи керування режимами джерела аварійного енергоживлення та системи керування електроприводом вентиляторної установки при автономному живленні.

Ключові слова: аварійне енергоживлення, оперативні джерела, вентиляторні установки, турбомеханізми, системи електропостачання, пристрої узгодження.

АННОТАЦИЯ

Сами Мухаммед Амин Раджи Хаджахмад. Оперативно формируемые источники аварийного автономного питания электроприводов главных вентиляторных установок шахт. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 “Электротехнические комплексы и системы”. Национальная горная академия Украины. Днепропетровск, 2002.

Диссертационная работа посвящена разработке, созданию и формированию оперативных источников питания при работе в аварийном режиме шахтных вентиляторных установок и турбомеханизмов.

В работе показана необходимость обеспечения питания потребителей шахт при аварийных нагружениях системы электроснабжения, которое должно обеспечивать работу вентиляторных установок.

Рассмотрены и представлены устройства и компоненты схем подключения питания электроприводов шахтных вентиляторных установок с электроприводами транспортных средств, имеющих электромеханическую трансмиссию, которые предлагаются, как первичные источники питания в аварийных ситуациях.

Доказана актуальность использования современных преобразовательных устройств и транзисторных инверторов для решения данной задачи.

Выполнен анализ определения требуемой частоты и напряжения, необходимой для работы источников питания в аварийных ситуациях. А также исследованы режимы работы согласования энергосиловой установки с промышленной сетью, как с генераторами постоянного тока, так и с асинхронными машинами.

Обоснованы принципы работы и методы управления вентиляторными установками при автономном резервном питании. Представлены необходимые расчеты и зависимости, определяющие оптимальные режимы работы в аварийных ситуациях.

Показана возможность использования комбинированного управления режимами вентиляторной установки путем аэродинамического регулирования, что повышает ее быстродействие.

Экономически обусловлена и доказана эффективность сокращения затрат на эксплуатацию и обслуживание автономных электрических станций.

Выполнены лабораторные экспериментальные исследования и подтверждена целесообразность использования существующих транспортных средств с электрической трансмиссией и оборудования вместо приобретения дорогостоящих автономных электростанций.

Результаты работы могут быть использованы при разработке источников питания в аварийных ситуациях.

Ключевые слова: аварийное электропитание, формируемые источники, вентиляторные установки, турбомеханизмы, системы электроснабжения, устройства согласования.

Abstract

Sami Mohammad Amin Raji Hajahmad. Operative power supplies at work in emergency sources that forming for mine fan-plant. The manuscript. The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.09.03" Electrotechnical complexes and systems ". National mountain university of Ukraine. Dnepropetrovsk, 2002. The dissertation devoted development and to construction of operative power supplies at work in emergency operation mine fan-plant and turbomechanisms. The developed systems of the coordination powerenirgy-plant of vehicles and their application as operative power supplies. Development of elements of a control system by modes of sources emergency power supplying and control systems of the electric drive fan-plant is executed at an independent feed.

Key words: emergency power supplying, operative sources, fan-plant, turbomechanisms, systems of electromaintenance, the device of the coordination.