УкрНИИВЭ

В.Н. Савицкий, В.Л. Митрохин

Взрывозащищенное устройство плавного пуска типа КУВПП-250 УХЛ5

Постановка проблемы

Подавляющее большинство горных машин угольных шахт работают в тяжелых высоконагруженных режимах и оснащены при этом нерегулируемыми электроприводами на основе взрывозащищенных асинхронных электродвигателей. Это обусловливает повышенный износ их элементов из-за высоких динамических нагрузок, рывков, больших пусковых токов, возникающих в основном в начальный момент при пуске. Кроме того, быстрый разгон машин зачастую является причиной повышенного травматизма обслуживающего персонала. Особенно остро стоит эта проблема при управлении конвейерами как скребковыми, так и ленточными, в которых прямой пуск является причиной порыва цепи или дорогостоящей ленты, а соответственно – простоя и потери добычи угля.

Применяемые методы снижения динамических нагрузок при помощи турбомуфт, электромагнитных муфт и двухскоростных электродвигателей обладают рядом известных недостатков и не обеспечивают в полной мере надежную и эффективную защиту машин, поскольку:

• прямой пуск с турбомуфтой характеризуется низкой надежностью и высокой трудоемкостью обслуживания, и при этом не решается проблема динамических ударов в конвейерном ставе и больших механических нагрузок на ленту;
• пуск асинхронного двигателя при переходе с одной скорости на другую по схеме «звезда-треугольник» или с переключением его независимых обмоток статора вызывает большие пики пусковых тока и момента при переключениях, из-за чего возникают механические перегрузки, которые часто приводят к повреждениям оборудования.

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.

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 (ЗАО НПП «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.

Цель статьи. Описание комплектного устройства плавного пуска во взрывозащищенном исполнении для привода ленточных конвейеров, результатов их испытаний и рекомендаций по применению.

Результаты разработки

В УкрНИИВЭ создано взрывозащищенное комплектное устройство плавного пуска типа КУВПП-250УХЛ5, предназначенное для плавного пуска трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, используемых в приводе ленточных конвейеров и других горных машин в угольных шахтах, опасных по газу или угольной пыли.

Устройство обеспечивает плавный пуск асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором с регулируемой длительностью от 5 до 20 с.

Основные технические характеристики устройства:
Наименование параметра	Значение
Номинальная выходная активная мощность при напряжении 660/1140 В, кВт	214/370
Номинальный выходной ток, А	250
Максимальный ток нагрузки при пуске двигателя, (при времени пуска 20 с), А	1000
Номинальное напряжение силовой цепи, В	1140/660
Ток транзитной нагрузки, А	125
Контролируемое сопротивление заземляющего провода, Ом	50
Уставки срабатывания устройства контроля изоляции, кОм:
при напряжении сети 660 В	30
при напряжении сети 1140 В	100
Габаритные размеры, мм, не более	865х900х650
Масса, кг, не более	260

Устройство допускает не более четырех пусков с интервалом 1 мин или до восьми пусков в час по условиям нагревания двигателя. Электрическая схема устройства обеспечивает:

• визуальную индикацию готовности к пуску после подачи напряжения на устройство;
• визуальную индикацию ожидания пуска и времени пуска;
• визуальную индикацию тока электродвигателя в ходе пуска и после его окончания;
• дистанционное управление при помощи кнопочного поста управления или контактов аппаратуры автоматизированного управления, установленной отдельно от устройства;
• подключение температурной защиты, встроенной в электродвигатель и имеющей релейный выход;
• защиту от токов короткого замыкания (КЗ) отходящих от устройства силовых цепей и световую сигнализацию после ее срабатывания. Полное время срабатывания при токах, превышающих уставку устройства максимальной токовой защиты в 1,5 раза, не должно превышать 0,12 с;
• токовую защиту от перегрузки двигателя и световую сигнализацию после ее срабатывания;
• электрическое блокирование, препятствующее включению контакторов устройства при сопротивлении изоляции в отходящих силовых цепях ниже 30 кОм при напряжении сети до 660 В и ниже 100 кОм при напряжении сети 1140 В и световую сигнализацию после срабатывания блокировки;
• нулевую защиту;
• защиту при обрыве или увеличении сопротивления заземляющей цепи между устройством и управляемым электроприемником до 50 Ом и более;
• защиту от потери управляемости при замыкании проводов цепи дистанционного управления между собой или с заземляющим проводом;
• защиту от самовключения устройства при кратковременном (не более 1 с) повышении напряжения питающей цепи до 1,5 Uном, при этом устройство должно оставаться в работоспособном состоянии;
• проверку действия устройства предварительного контроля изоляции;
• световую сигнализацию о включенном состоянии разъединителя и контакторов;
• срабатывание общесетевой защиты от утечек на землю в случае «сваривания» силовых контактов вакуумных контакторов в любом из трех полюсов в отключенном положении устройства (при наличии подключенного двигателя);
• искробезопасность цепей дистанционного управления;
• защиту от перегрева силовых тиристоров и визуальную индикацию температуры;
• защиту в цепи внешней нагрузки напряжением 36 В:
  1. от токов КЗ;
  2. от токов утечки;
  3. предварительный контроль изоляции отходящей линии.

В устройстве предусмотрена возможность переключения на режим работы без плавного пуска. При этом устройство работает как обычный пускатель.

В основу работы устройства плавного пуска положен принцип питания трехфазного асинхронного двигателя путем постепенного увеличения напряжения при пуске, обеспечиваемого тиристорным переключателем (ТП), состоящим из шести тиристоров включенных по два встречно-параллельно в каждой фазе питающей сети.

На рисунке 1 показан принцип регулирования угла открывания тиристоров.

Рисунок 1 – Принцип регулирования тока при пуске электродвигателя

Тиристорный переключатель позволяет плавно изменять напряжение при постоянной частоте сети за счет момента открывания тиристора. Управление скоростью нарастания выходного напряжения обеспечивается микропроцессорным блоком управления (МБУ).

Пусковой момент двигателя изменяется пропорционально квадрату напряжения при фиксированной частоте. Плавное увеличение напряжения исключает бросок тока в момент включения, при этом также исключается механический удар в системе двигатель-редуктор горной машины.

Структурная схема устройства приведена на рисунке 2.

В программу микропроцессора МБУ заложена функция контроля тока нагрузки. Эта функция выполняет защиту от обрыва фазы, защиту от перегрузки двигателя и поддерживает кратность ограничения пускового тока по отношению к номинальному, задаваемую пользователем посредством переключателей.

МБУ выполнен в металлическом корпусе. На его передней стенке имеется жидкокристаллический дисплей для отражения основных настроек и параметров. Программирование параметров пуска осуществляется с помощью многопозиционных переключателей, расположенных на задней стенке, посредством которых задаются следующие параметры:

• время пуска;
• номинальный ток;
• кратность пускового тока;
• стартовое напряжение (%).

Рисунок 2 – 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

Тиристорный переключатель выполнен в виде модуля, состоящего из шести тиристоров, установленных на общем радиаторе. Для принудительного воздушного охлаждения радиатор ТП снабжен вентилятором. Контроль температуры радиатора осуществляется полупроводниковым датчиком, сигнал от которого передается в МБУ. Значение температуры выводится на дисплей. При нагреве радиатора свыше 80 °С МБУ отключает устройство. В модуле имеется также плата трансформаторов, обеспечивающих гальваническую развязку схемы управления тиристорами от силовой и плата синхронизации схемы управления с каждой фазой сети.

В устройстве применены два вакуумных контактора. Контактор КМ1 шунтирует тиристорный переключатель по окончании разгона, чтобы предотвратить чрезмерное повышение температуры тиристоров в замкнутом пространстве взрывонепроницаемой оболочки. Контактор КМ2 обеспечивает в отключенном состоянии, по сравнению с тиристорами, более надежную изоляцию отходящей силовой цепи.

Алгоритм работы МБУ построен таким образом, чтобы при выполнении команды «ПУСК» обеспечить бездуговую коммутацию контакторов, т.е. включается КМ2, открываются тиристоры, включается КМ1, закрываются тиристоры, отключается КМ2. При выполнении команды «СТОП» включается КМ2, открываются тиристоры, отключается КМ1, закрываются тиристоры, отключается КМ2.

Использованные при разработке устройства схемные и конструкторские решения позволили разместить его в серийно выпускаемой взрывонепроницаемой оболочке пускателя ПВР-Р, состоящей из корпуса, быстрооткрываемой крышки, крышек вводного и выводного отделений, кабельных вводных устройств.

Устройство плавного пуска (рисунок 3) имеет один транзитный ввод, три ввода для подключения силовых кабелей и четыре ввода для подключения гибких кабелей. Вводы для подключения силовых кабелей рассчитаны на подключение как гибких, так и бронированных кабелей с возможностью выполнения сухой разделки.

Рисунок 3 – Общий вид комплектного устройства плавного пуска КУВПП-250М

В корпусе устройства расположены разъединитель, панель с двумя контакторами на ток 250 и 160 А соответственно, два датчика тока типа ДТ-3, трансформатор напряжения, два блока форсированного включения контакторов (БФВ) и выводные изоляторы.

В нижней части корпуса находится силовой полупроводниковый модуль с вентилятором для принудительного воздушного охлаждения силовых тиристоров, установленных на радиаторе.

На наружной боковой поверхности корпуса справа установлены рукоятка привода включения разъединителя, толкатель кнопочного выключателя кнопки «СТОП», рукоятка привода включения кнопочных выключателей «Проверка КИ», «Взвод защит» и скоба механической блокировки разъединителя с быстрооткрываемой крышкой.

Привод включения разъединителя сблокирован с кнопочным выключателем «Стоп» при помощи сектора Н и не позволяет отключить разъединитель при включенном контакторе.

На быстрооткрываемой крышке установлена съемная панель, на которой расположены панель индикации, МБУ, штепсельный разъем, блоки управления и защиты (БДУ и БКЗ соответственно), блок защиты цепей напряжением 36 В (БЗ-2).

На наружной поверхности крышки расположены смотровые окна и рукоятка привода запорного кольца.

В связи со сложностью выполнения измерений в шахтных условиях исследования были проведены на лабораторном стенде для испытания двигателей. Устройством выполнялись пуски при номинальном напряжении сети 660 В двигателя типа ЭКВЖ 3,5 мощностью 220 кВт, вал которого был жестко соединен с валом балансирной машины МПБ55/3У.

В процессе пусков с помощью осциллографа записывалось амплитудное значение тока двигателя и скорость вращения вала. На рисунке 4а приведена осциллограмма с параметрами пуска:

• время пуска – 20 с;
• номинальный ток – 250 А;
• кратность тока ограничения – 3;
• начальное напряжение – 10 % номинального.

Для пуска с такими параметрами характерен плавный рост тока, однако начало вращения ротора двигателя зафиксировано только через 5 с после подачи напряжения. Такой режим пуска нежелателен по условиям нагревания двигателя. Более оптимальным является режим, приведенный на рисунке 4б, при параметрах:

• время пуска – 14 с;
• номинальный ток – 250 А;
• кратность тока ограничения – 3;
• начальное напряжение – 30 % номинального.

Анализ осциллограммы (рисунок 4,б) показывает увеличение тока в начальный момент пуска, при котором создается вращающий момент, достаточный для преодоления данного момента сопротивления. Вращение ротора начинается менее чем через одну секунду. При этом отсутствуют потери энергии на нежелательный нагрев двигателя, характерные для пуска (рисунок 4,а).

В процессе испытаний измерялась температура радиатора ТП. После выполнения 11 пусков нагруженного двигателя с интервалом 5 минут температура увеличилась на 28 °С, что свидетельствует о правильном выборе площади радиатора и алгоритма управления тиристорами.

Рисунок 4 – Осциллограммы тока и тахограммы разгона электродвигателя ЭКВЖ 3,5 мощностью 220 кВт

Опыт эксплуатации устройства для управления приводом конвейера типа 1Л100 длиной 260 м и при уклоне 16 ° на шахте им. Н.П. Баракова ОАО «Краснодонуголь» подтвердил необходимость тщательного подбора параметров пуска устройства в каждом конкретном случае. Для оптимального пуска конвейера были экспериментально подобраны следующие параметры:

• время пуска – 5 с;
• номинальный ток – 180 А;
• кратность тока ограничения – 4;
• начальное напряжение – 30 % номинального.

Разгон конвейера происходил плавно, без рывков и ударов в ленте. После шести пусков подряд температура ТП не достигала предельной.

Выводы

Разработанное взрывозащищенное устройство плавного пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором надежно обеспечивает снижение пусковых токов и динамических ударов и может применяться для управления ленточными конвейерами, насосами, вентиляторами, канатно-кресельными дорогами, компрессорами и другими машинами. Применение устройств позволит продлить срок службы как самого электродвигателя, так и приводимой горной машины.