Разработка блока управления силовыми ключами для аппарата плавного запуска привода скребкового конвейера

 

Наиболее эффективным способом пуска и управления приводами, исключающим перечисленные выше недостатки, является применение преобразователей частоты.Однако высокая стоимость и сложность обслуживания, а также проблемы охлаждения препятствуют их широкому распространению в условиях шахт.

 

Поэтому создание эффективного и недорогого современного устройства плавного пуска  является актуальной задачей.

 

                                                   

1.3 Анализ состояния вопроса

 

 Взрывозащищенные устройства  плавного пуска конвейеров выпускаются рядом зарубежных фирм, среди которых ведущее положение занимают такие фирмы,как «Hansen & Reinders»,«Elgor & Hansen»,«Hamacher» и другие. Отечественной промышленностью выпускается два аппарата плавного пуска типа АПМ-200 и УКТВ-400( «Макеевский завод шахтной автоматики»).

 

 Отличительной особенностью зарубежных устройств является то, что они представлены в виде комплектных устройств в больших корпусах и для отечественных потребителей слишком дорогостоящи. Отечественные устройства выполнены на старой элементной базе, сложны и обладают как низкой надежностью, так и недостаточно эффективными функциональными возможностями.

 

Аппарат АПМ предназначен для плавного пуска серийных и  разрабатываемых однодвигательных ленточных конвейеров и канатно-кресельных дорог, оснащенных асинхронными двигателями  с короткозамкнутым ротором, а также  для плавного динамического торможения электропривода ленточного конвейера после его отключения.

 

Электрическая схема аппарата обеспечивает:

-плавный пуск рабочего органа  конвейера за заданной программой;

-изменение продолжительности разгонки  конвейера;

-динамическое торможение электропривода  после его отключения;

-изменение тормозного момента;

-реверс электропривода  с помощью разъединителя магнитного  пускателя;

-защита силовых тиристоров  аппарата от перегрева, от токов  короткого замыкания, от потери  управления силовыми тиристорами  при исчезновении импульсов управления, в одном или нескольких каналах,  от потери фазы входного напряжения;

-индикацию о включенном (выключенном) состоянии аппарата и о срабатывании защиты.

 

Аппарат оборудован контактором, который шунтирует силовые тиристоры  после завершения плавного пуска  рабочего органа конвейера. При необходимости  им можно осуществить прямой пуск электродвигателя.

 

Стоимость аппарата АПМ значительно уступает стоимости аналогичных заграничных устройств, которые вместе с его функциональностью делает аппарат АПМ особенно привлекательным для отечественных потребителей.

 

Аппарат выполнен в взрывозащищенной оболочке. Основой аппарата есть трехфазный тиристорный регулятор  (рис. 3), что состоит из шести однооперационных тиристоров. Седьмой тиристор обеспечивает роботу приводного АД в режиме индукционно-динамического торможение. Тиристоры размещены на внутренней поверхности крышки взрывозащищенной оболочки, которые обеспечивают отток тепла во внешнюю среду. В основном отсеке расположенный контактор КМ, который шунтирует тиристоры после завершения разгона двигателя. Кроме этого в основном отсеке установлены блоки выходных трансформаторов (БВТ) для обеспечения гальванической развязки, автоматического управления (БАУ), импульсно-фазового управление (БИФУ) для формирования импульсов отпирание тиристоров, динамического торможение (БДТ), защиты аппарата (БЗА) для защиты аппарата от аварийных режимов работы, синхронизации (БС) для синхронной работы БИФУ, индикации (БИ), питание (БП) для питание блоков аппарата, а также датчики тока, температуры.

 

 

Рисунок 3 – Структурная схема аппарата АПМ

 

Таким образом, существующие устройства устройства для плавного запуска асинхронных двигателей используют фазовый принцип регулирования исходного напряжения - за счет формирования заданных углов α управление тиристорами. При этом отключение силовых ключей естественное - при снижении тока к нулю. Это разрешает использовать относительно недорогие однооперационные тиристоры, которые характеризуются высокими энергетическими показателями.

 

Вместе с очевидными преимуществами (надежность, отсутствие устройств искусственной коммутации) подобная система имеет важные недостатки, которые касаются качества исходных параметров, влияния на питательную сеть и энергетические показатели привода.

 

Рисунок 4 – Структурная схема устройства плавного пуска

 ДТ – датчик  тока; БКЗ – блок комплексной  защиты;

 МБУ – микропроцессорный блок управления; ТП – тисторный переключатель;

 КМ – вакуумный  контактор; М – асинхронный  двигатель

 

1.4 Функции к устройству ,которое разрабатывается:

   

     -управление в автоматическом режиме;

     - использование  сигнализации не предвидится;

     -наличие  блока питания;

     -информация  от блока человеку не подается; 
     -подача сигналов тиристору;

 

Технические требования к разрабатываемому устройству:

    -надёжность ,компактность, ремонтопригодность ,современная элементная база.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ПЛАВНОГО ПУСКА СК

Применение нерегулируемого  по скорости асинхронного двигателя  в качестве привода скребкового  конвейера сопряжено с повышенными  динамическими усилиями в тяговом  органе, высоким уровнем ускорений в периоды пуска. Интенсивный разгон тягового органа скребкового конвейера становится причиной травматизма обслуживающего персонала. Поэтому в приводах с асинхронными короткозамкнутыми двигателями для обеспечения плавности пуска и защиты цепи скребкового конвейера в настоящее время существуют следующие технические решения:

-использование соединительных муфт различного типа;

-применение автоматизированного электропривода на основе двигателя постоянного тока;

-применение преобразователей частоты;

-применение пусковых устройств на основе тиристорных коммутаторов.

 

Среди муфт преимущественное распространение  получили гидродинамические муфты. Достоинствами таких муфт являются относительная простота конструкции; отсутствие трущихся пар и, вследствие этого, минимальный износ основных деталей; обеспечение плавного пуска машин, обладающих большими моментами инерции .

    

 Процесс эксплуатации электропривода  с гидромуфтами выявил ряд  их существенных недостатков:  большая инерционность; низкая  надежность и эффективность действия; гидромуфта защищает от перегрузок только двигатель; повышенная пожароопасность (в связи с применением минеральных масел, воспламеняющихся при температуре 165-170°С); сложность управления; нестабильность характеристик в связи с нагревом и протеканием масла через уплотнения.

    

 В качестве альтернативного  возможен пуск конвейера с  использованием электропривода  на основе электромагнитной муфты  скольжения (ЭМС). Важнейшая функция  ЭМС – регулирование скорости  вала рабочего органа при постоянной скорости вращения вала электродвигателя Основу ЭМС составляет индуктор, находящийся в зазоре магнитопровода с обмоткой возбуждения (ОВ). На рисунке 5 показана принципиальная схема с ЭМС, которая устанавливается между электродвигателем и рабочим механизмом. На схеме обозначены: 1 – электродвигатель; 2 – ЭМС; 3 – барабан (звездочка); 4 – управляемый выпрямитель; 5 – система управления выпрямителем.

                                                 

                               

 

 

                                               

    Рисунок 5 – Принципиальная схема электропривода с электромагнитной муфтой скольжения

 

                                                  

      Рисунок 6 – Механические характеристики ЭМС

                                         

При отсутствии тока в обмотке возбуждения  индуктор неподвижен, а вместе с  ним остается неподвижным и барабан  конвейера. При увеличении тока в  обмотке возбуждения увеличивается  магнитный поток, который наводит  в якоре ЭДС, создающую ток. Последний в свою очередь создает магнитный поток, взаимодействующий с магнитным потоком индуктора и вызывающий вращение ведомого вала (индуктора). Величина вращающего момента зависит от частоты вращения индуктора и от значения тока возбуждения .

     

ЭМС имеет определенные преимущества: ею осуществляется более глубокое регулирование  скорости, а также лучшая защита от динамических перегрузок конвейера. Основными недостатками ЭМС является ее относительная дороговизна, сложность  изготовления, низкий КПД. В настоящее время серийно привод скребкового конвейера с ЭМС в Украине не выпускается.

    

 Применение двигателя постоянного  тока последовательного возбуждения  дает возможность регулирования  скорости движения тягового органа  в широком диапазоне, уменьшение динамических нагрузок, исключение из состава привода гидромуфт. Регулирование частоты вращения ДПТ осуществляется посредством тиристорного управляемого выпрямителя. Недостатки этого привода: низкая надежность, высокая стоимость, сложность применения в шахтной взрывоопасной атмосфере из-за наличия коллекторного узла.

     

Эффективными регулирующими способностями  обладают тиристорные преобразователи  частоты (ПЧ). Частота вращения ротора двигателя регулируется изменением частоты питающего напряжения.

 

 

 

Применение преобразователей частоты  дает экономию электроэнергии до 25-30% за счет оптимизации скорости вращения рабочих механизмов и снижения пусковых токов асинхронных двигателей, задания  темпов разгона и торможения, бесконтактного реверса двигателя, позволяет значительно уменьшить динамические нагрузки на цепь. Дополнительный выигрыш образуется за счет увеличения межремонтного периода электродвигателей, которые при применении преобразователей работают в облегченном режиме. Однако высокая сложность, стоимость, крупные габариты затрудняют выполнение преобразователя частоты в рудничной взрывобезопасной оболочке. Большое количество силовых полупроводниковых приборов усложняет решение вопросов их эффективного охлаждения.

   

  Широкими функциональными возможностями отличаются маловентильные силовые тиристорные коммутаторы (СТК). Выбор наиболее приемлемой схемы СТК для электропривода подземного скребкового конвейера определяется ее функциональными возможностями и технико-экономическими показателями. Основу СТК составляет силовой вентильный узел (СВУ), содержащий встречно-параллельно соединенную тиристорную (ТТ) или диодно-тиристорную (ДТ) пару. СТК бывают нереверсивные (2ТТ, ЗТТ, 3ДТ) и реверсивные (4ТТ, 5ТТ) (рисунок 7) .

 

                                 

Рисунок 7 – Схемы силовых тиристорных коммутаторов.

                                                                     

 В зависимости от  способа регулирования СТК реализует  режимы фазового и импульсного  регулирования величины выходного  напряжения, позволяет формировать  тормозные режимы электропривода.

    

 Для обеспечения  индукционно-динамического торможения  привода нереверсивный СТК содержит дополнительный шунтирующий тиристор.

 

Таким образом, принимаем  следующее направление автоматизации  технологического процесса:”Разработка блока управления силовыми ключами для аппарата плавного пуска скребкового конвейера ”- это важная задача и в настоящее время она имеет ряд недостатков. В данной работе я буду пытаться устранить эти недостатки.

 

 

 

3.РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ,ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ УСТРОЙСТВА.

 

 3.1 Разработка структурной схемы

 

На основании предыдущих разделов может быть составлена структурная схема проектируемого устройства. Структурная схема приведена на рис. 3.1.

 

 Рис. 3.1-Структурная схема БИФУ

В схеме приняты следующие  обозначения:

МУ -масштабирующее устройство;

АЦП -аналого-цифровой преобразователь;

МК-микроконтроллер;

ВУ -выходной усилитель;

 Работа структурной  схемы устройства заключается  в следующем:

 

От блока автоматического  управления постоянное напряжение Uоп поступает на масштабирующее устройство,где происходит усиление входного сигнала.Uоп,может меняться от 0…12 В; (определяет ширину подаваемых импульсов).От трёхфазного трансформатора переменное напряжение Uа, Ub, Uc также поступает на масштабирующее устройство. Входные сигналы-сигналы синхронизации:Uа, Ub, Uc(переменное напряжение 5В), представляет собой внешние сигналы 50Гц .После прохода через масштабирующее устройство сигналы идут на АЦП.Аналого-цифровой преобразователь,преобразует входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).Далее сигналы поступают на микроконтроллер.МК-микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.МК собирает информацию,обрабатывает её и подает  на выходной усилитель.,где происходит усиление сигнала.Из ВУсигналы Uvs1…6-однополярные импульсы амплитудой 0…10 В;f=50 Гц;f н=2кГц;подаются на силовую схему(тиристоры).

 

 

 

3.2 Разработка функциональной схемы

 

На основании структурной  схемы может быть разработана  функциональная схема проектируемого устройства. В функциональной схеме уже необходимо привязаться к конкретным схемным решениям блоков структурной схемы.

Функциональная схема  приведена на рис. 3.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.2-Функциональная схема  БИФУ 

 

Работа функциональной схемы заключается в следующем:

 

Даный датчик используется как базовый, очевидно что он может не полностью соответствовать требуемому диапазону контролируемых скоростей.

Выходные величины Uа,Uв,Uс от трёхфазного трансформатора поступают на МУ,которыее состоят из делителей напряжения.А от блока автоматического управления величина Uоп поступает тоже на МУ,которое состоит из операционного уселителя. После МУ сигналы поступают на АЦП.Там происходит преобразование входного аналогово сигнала в дискретный код.Далее эти сигналы поступают на микроконтроллер.МК собирает информацию,обрабатывает её и подает  на выходной усилитель,где происходит усиление сигнала. В качестве ВУ можно применить транзисторный ключ.Далее сигнали с ВУ подаются на силовую схему(тиристоры).