УкрНДІВЕ

В.М. Савицький, В.Л. Митрохін

Вибухозахищений пристрій плавного пуску типу КУВПП-250 УХЛ5

Постановка проблеми

Переважна більшість гірських машин вугільних шахт працюють у важких високонавантажених режимах та оснащені при цьому нерегульованими електроприводами на основі вибухозахищених асинхронних електродвигунів. Це обумовлює підвищене зношування їхніх елементів через високі динамічні навантаження, ривків, більших пускових струмів, які виникають в основному в початковий момент при пуску. Крім того, швидкий розгін машин найчастіше є причиною підвищеного травматизму обслуговуючого персоналу. Особливо гостро коштує ця проблема при керуванні конвеєрами як скребковими, так і стрічковими, у яких прямий пуск є причиною пориву ланцюга або дорогої стрічки, а відповідно – простою та втрати видобутку вугілля.

Застосовувані методи зниження динамічних навантажень за допомогою турбомуфт, електромагнітних муфт і двошвидкісних електродвигунів володіють рядом відомих недоліків і не забезпечують повною мірою надійний та ефективний захист машин, оскільки:

• прямий пуск із турбомуфтою характеризується низькою надійністю та високою трудомісткістю обслуговування, і при цьому не вирішується проблема динамічних ударів у конвеєрному ставі та більших механічних навантажень на стрічку;
• пуск асинхронного двигуна при переході з однієї швидкості на іншу за схемою «зірка-трикутник» або з перемиканням його незалежних обмоток статора викликає більші піки пускових струму та моменту при перемиканнях, через що виникають механічні перевантаження, які часто приводять до ушкоджень устаткування.

Найбільш ефективним способом пуску та керування приводами, який виключає перераховані вище недоліки, є застосування перетворювачів частоти. Однак висока вартість і складність обслуговування, а також проблеми охолодження перешкоджають їхньому широкому поширенню в умовах шахт.

Тому створення ефективного та недорогого сучасного пристрою плавного пуску є актуальним завданням.

Аналіз стану питання

Вибухозахищені пристрої плавного пуску конвеєрів випускаються рядом закордонних фірм, серед яких провідне положення займають такі фірми, як «Hansen & Reinders», «Elgor & Hansen», «Hamacher» та інші. Вітчизняною промисловістю випускається два апарати плавного пуску типу АПМ-200 і УКТВ-400 (ЗАТ НПП «Макіївський завод шахтної автоматики»). Відмінною рисою закордонних пристроїв є те, що вони представлені у вигляді комплектних пристроїв у більших корпусах і для вітчизняних споживачів занадто багатокоштовні. Вітчизняні пристрої виконані на старій елементній базі, складні та володіють як низькою надійністю, так і недостатньо ефективними функціональними можливостями.

Ціль статті. Опис комплектного пристрою плавного пуску у вибухозахищеному виконанні для приводу стрічкових конвеєрів, результатів їхніх випробувань і рекомендацій із застосування.

Результати розробки

В УкрНДІВЕ створене вибухозахищений комплектний пристрій плавного пуску типу КУВПП-250УХЛ5, призначене для плавного пуску трифазних асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором, використовуваних у приводі стрічкових конвеєрів та інших гірських машин у вугільних шахтах, небезпечних по газу або вугільному пилу.

Пристрій забезпечує плавний пуск асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором з регульованою тривалістю від 5 до 20 с.

Основні технічні характеристики пристрою:
Найменування параметра	Значення
Номінальна вихідна активна потужність при напрузі 660/1140 В, кВт	214/370
Номінальний вихідний струм, А	250
Максимальний струм навантаження при пуску двигуна, (при часі пуску 20 с), А	1000
Номінальна напруга силового ланцюга, В	1140/660
Струм транзитного навантаження, А	125
Контрольований опір заземлюючого проводу, Ом	50
Уставки спрацьовування пристрою контролю ізоляції, кОм:
при напрузі мережі 660 В	30
при напрузі мережі 1140 В	100
Габаритні розміри, мм, не більше	865х900х650
Маса, кг, не більше	260

Пристрій допускає не більше чотирьох пусків з інтервалом 1 хв або до восьми пусків у годину за умовами нагрівання двигуна. Електрична схема пристрою забезпечує:

• візуальну індикацію готовності до пуску після подачі напруги на пристрій;
• візуальну індикацію очікування пуску та часу пуску;
• візуальну індикацію струму електродвигуна в ході пуску та після його закінчення;
• дистанційне керування за допомогою кнопкового поста керування або контактів апаратури автоматизованого керування, установленого окремо від пристрою;
• підключення температурного захисту, убудованого в електродвигун і який має релейний вихід;
• захист від струмів короткого замикання (КЗ) які відходять від пристрою силових ланцюгів і світлову сигналізацію після її спрацьовування. Повний час спрацьовування при струмах, які перевищують уставку пристрою максимального струмового захисту в 1,5 рази, не повинен перевищувати 0,12 с;
• струмовий захист від перевантаження двигуна та світлову сигналізацію після її спрацьовування;
• електричне блокування, яке перешкоджає включенню контакторів пристрою при опорі ізоляції в силових ланцюгах, які відходять, нижче 30 кОм при напрузі мережі до 660 В і нижче 100 кОм при напрузі мережі 1140 В і світлову сигналізацію після спрацьовування блокування;
• нульовий захист;
• захист при обриві або збільшенні опору заземлюючого ланцюга між пристроєм і керованим електроприймачем до 50 Ом та більше;
• захист від втрати керованості при замиканні проводів ланцюга дистанційного керування між собою або із заземлюючим проводом;
• захист від самовключення пристрою при короткочасному (не більше 1 с) підвищенні напруги живильного ланцюга до 1,5 Uном, при цьому пристрій повинен залишатися в працездатному стані;
• перевірку дії пристрою попереднього контролю ізоляції;
• світлову сигналізацію про включений стан роз'єднувача і контакторів;
• спрацьовування загальносітьового захисту від витоків на землю у випадку «зварювання» силових контактів вакуумних контакторів у кожному із трьох полюсів у відключеному положенні пристрою (при наявності підключеного двигуна);
• іскробезпека ланцюгів дистанційного керування;
• захист від перегріву силових тиристорів і візуальну індикацію температури;
• захист у ланцюзі зовнішнього навантаження напругою 36 В:
  1. від струмів КЗ;
  2. від струмів витоку;
  3. попередній контроль ізоляції лінії, яка відходить.

У пристрої передбачена можливість перемикання на режим роботи без плавного пуску. При цьому пристрій працює як звичайний пускач.

В основу роботи пристрою плавного пуску покладений принцип харчування трифазного асинхронного двигуна шляхом поступового збільшення напруги при пуску, забезпечуваного тиристорним перемикачем (ТП), складається із шести тиристорів включених по двох паралельно в кожній фазі живильної мережі.

На рисунку 1 показано принцип регулювання кута відкривання тиристорів.

Рисунок 1 – Принцип регулювання струму при пуску електродвигуна

Тиристорний перемикач дозволяє плавно змінювати напругу при постійній частоті мережі за рахунок моменту відкривання тиристора. Керування швидкістю наростання вихідної напруги забезпечується мікропроцесорним блоком керування (МБУ).

Пусковий момент двигуна змінюється пропорційно квадрату напруги при фіксованій частоті. Плавне збільшення напруги виключає кидок струму в момент включення, при цьому також виключається механічний удар у системі двигун-редуктор гірської машини.

Структурна схема пристрою наведена на рисунку 2.

У програму мікропроцесора МБУ закладена функція контролю струму навантаження. Ця функція виконує захист від обриву фази, захист від перевантаження двигуна та підтримує кратність обмеження пускового струму стосовно номінального, яка задається користувачем за допомогою перемикачів.

МБУ виконаний у металевому корпусі. На його передній стінці є рідиннокристалічний дисплей для відбиття основних настроювань і параметрів. Програмування параметрів пуску здійснюється за допомогою багатопозиційних перемикачів, розташованих на задній стінці, за допомогою яких задаються наступні параметри:

• час пуску;
• номінальний струм;
• кратність пускового струму;
• стартова напруга (%).

Рисунок 2 – Структурна схема пристрою плавного пуску
ДТ – датчик струму; БКЗ – блок комплексного захисту;
МБУ – мікропроцесорний блок керування; ТП – тисторний перемикач;
КМ – вакуумний контактор; М – асинхронний двигун

Тиристорний перемикач виконаний у вигляді модуля, який складається із шести тиристорів, установлених на загальному радіаторі. Для примусового повітряного охолодження радіатор ТП постачений вентилятором. Контроль температури радіатора здійснюється напівпровідниковим датчиком, сигнал від якого передається в МБУ. Значення температури виводиться на дисплей. При нагріванні радіатора понад 80 °С МБУ відключає пристрій. У модулі є також плата трансформаторів, що забезпечують гальванічну розв'язку схеми керування тиристорами від силової та плата синхронізації схеми керування з кожною фазою мережі.

У пристрої застосовані два вакуумних контактори. Контактор КМ1 шунтує тиристорний перемикач по закінченні розгону, щоб запобігти надмірному підвищенню температури тиристорів у замкнутому просторі вибухонепроникної оболонки. Контактор КМ2 забезпечує у відключеному стані, у порівнянні з тиристорами, більше надійну ізоляцію силового ланцюга, що відходить.

Алгоритм роботи МБУ побудований у таким чином, щоб при виконанні команди «ПУСК» забезпечити бездугову комутацію контакторів, тобто включається КМ2, відкриваються тиристори, включається КМ1, закриваються тиристори, відключається КМ2. При виконанні команди «СТОП» включається КМ2, відкриваються тиристори, відключається КМ1, закриваються тиристори, відключається КМ2.

Використані при розробці пристрої схемні та конструкторські рішення дозволили розмістити його в вибухонепроникної оболонці пускача, який серійно випускається ПВР-Р, який складається з корпуса, кришки, яка швидко відкривається, кришок вступного та вивідного відділень, кабельних вступних пристроїв.

Пристрій плавного пуску (рисунок 3) має одне транзитне уведення, три уведення для підключення силових кабелів і чотири уведення для підключення гнучких кабелів. Уведення для підключення силових кабелів розраховані на підключення як гнучких, так і броньованих кабелів з можливістю виконання сухого оброблення.

Рисунок 3 – Загальний вид комплектного пристрою плавного пуску КУВПП-250М

У корпусі пристрою розташовані роз'єднувач, панель із двома контакторами на струм 250 і 160 А відповідно, два датчики струму типу ДТ-3, трансформатор напруги, два блока форсованого включення контакторів (БФВ) і вивідні ізолятори.

У нижній частині корпуса перебуває силовий напівпровідниковий модуль із вентилятором для примусового повітряного охолодження силових тиристорів, установлених на радіаторі.

На зовнішній бічній поверхні корпуса праворуч установлена рукоятка приводу включення роз'єднувача, штовхальник кнопкового вимикача кнопки «СТОП», рукоятка приводу включення кнопкових вимикачів «Проверка КИ», «Взвод защит» і скоба механічного блокування роз'єднувача з кришкою, яка швидко відкривається.

Привід включення роз'єднувача сблокован із кнопковим вимикачем «Стоп» за допомогою сектора Н і не дозволяє відключити роз'єднувач при включеному контакторі.

На кришці, яка швидко відкривається, встановлена знімна панель, на якій розташовані панель індикації, МБУ, штепсельне рознімання, блоки керування та захисту (БДУ і БКЗ відповідно), блок захисту ланцюгів напругою 36 В (БЗ-2).

На зовнішній поверхні кришки розташовані оглядові вікна та рукоятка приводу запірного кільця.

У зв'язку зі складністю виконання вимірів у шахтних умовах дослідження були проведені на лабораторному стенді для випробування двигунів. Пристроєм виконувалися пуски при номінальній напрузі мережі 660 В двигуна типу ЭКВЖ 3,5 потужністю 220 кВт, вал якого був жорстко з'єднаний з валом балансирної машини МПБ55/3У.

У процесі пусків за допомогою осцилографа записувалося амплітудне значення струму двигуна і швидкість обертання вала. На рисунку 4а наведена осцилограма з параметрами пуску:

• час пуску – 20 с;
• номінальний струм – 250 А;
• кратність струму обмеження – 3;
• початкова напруга – 10 % номінального.

Для пуску з такими параметрами характерний плавний ріст струму, однак початок обертання ротора двигуна зафіксовано тільки через 5 с після подачі напруги. Такий режим пуску небажаний за умовами нагрівання двигуна. Більш оптимальним є режим, наведений на рисунку 4б, при параметрах:

• час пуску– 14 с;
• номінальний струм – 250 А;
• кратність струму обмеження – 3;
• початкова напруга – 30 % номінального.

Аналіз осцилограми (рисунок 4,б) показує збільшення струму в початковий момент пуску, при якому створюється обертаючий момент, достатній для подолання даного моменту опору. Обертання ротора починається менш чим через одну секунду. При цьому відсутні втрати енергії на небажане нагрівання двигуна, характерні для пуску (рисунок 4,а).

У процесі випробувань вимірялася температура радіатора ТП. Після виконання 11 пусків навантаженого двигуна з інтервалом 5 хвилин температура збільшилася на 28 °С, що свідчить про правильний вибір площі радіатора та алгоритму керування тиристорами.

Рисунок 4 – Осцилограми струму і тахограми розгону електродвигуна ЕКВЖ 3,5 потужністю 220 кВт

Досвід експлуатації пристрою для керування приводом конвеєра типу 1Л100 довжиною 260 м і при ухилі 16 ° на шахті ім. Н.П. Баракова ВАТ «Краснодонуголь» підтвердив необхідність ретельного підбора параметрів пуску пристрою в кожному конкретному випадку. Для оптимального пуску конвеєра були експериментально підібрані наступні параметри:

• час пуску – 5 с;
• номінальний струм – 180 А;
• кратність струму обмеження – 4;
• початкова напруга – 30 % номінального.

Розгін конвеєра відбувався плавно, без ривків та ударів у стрічці. Після шести пусків підряд температура ТП не досягала граничної.

Висновки

Розроблений вибухозахищений пристрій плавного пуску асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором надійно забезпечує зниження пускових струмів і динамічних ударів і може застосовуватися для керування стрічковими конвеєрами, насосами, вентиляторами, канатно-крісельними дорогами, компресорами та іншими машинами. Застосування пристроїв дозволить продовжити термін служби як самого електродвигуна, так і гірської машини, яка приводиться.