Модернизация электропривода конвейера СМ-19а АО "Стойленский ГОК"

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Старооскольский технологический институт им. А.А. УГАРОВА

(филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения

высшего образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

ФАКУЛЬТЕТ АВТОМАТИЗАЦИИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Выпускная квалификационная работа

на тему:

Модернизация электропривода конвейера СМ-19а АО «Стойленский ГОК»



СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АД - асинхронный двигатель

АДК - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

АО «Стойленский ГОК» - акционерное общество Стойленский горно-обогатительный комбинат

АЭП - асинхронный электропривод

ВУ - векторное управление

КМА - Курская магнитная аномалия

КСМД - корпус среднего и мелкого дробления

ОФ - обогатительная фабрика

ПУЭ - правила устройства электроустановок

ПЧ - преобразователь частоты

УПП - устройство плавного пуска



Формат	Обозначение	Наименование	Кол-во	Примечание
А4	13.03.02. ДП.ЭТ-17-1Д-13-ВО	Устройство ленточного конвейера СМ-19А	1
А4	13.03.02. ДП.ЭТ-17-1Д-13-01С2	Структурная схема и модель регулятора потокосцепления	1
А4	13.03.02. ДП.ЭТ-17-1Д-13-02С2	Структурная схема частотно-регулируемого привода
		механизма ленточного конвейера	1
А4	13.03.02. ДП.ЭТ-17-1Д-13-03С2	Структурная схема и модель регулятора скорости	1
А4	13.03.02. ДП.ЭТ-17-1Д-13-04С2	Структурная схема и модель подсистемы векторного
		управления	1
А4		Технические данные ленточного конвейера до и после
		модернизации	1	плакат
А4		Результаты моделирования прямого пуска	1	плакат
А4		Результаты моделирования векторного управления	1	плакат
		Пояснительная записка	53
					13.03.02. ДП.ЭТ-17-1Д-13-ВКР
					МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА КОНВЕЙЕРА СМ-19А АО «СТОЙЛЕНСКИЙ ГОК»	Лит.	Масса	Масштаб
Изм.	Лист	№ докум.	Подп.	Дата			У
Обучающ.	Пономаренко Р.С.
Руковод.	Молодых А.В.				Лист 1	Листов 1
				Ведомость выпускной квалификационной работы	СТИ НИТУ «МИСИС», АИСУ, 2021 г.
Н. контр.	Гамбург К.С.
Зав. каф.	Глущенко А.И.



АННОТАЦИЯ

Основной целью работы являлся расчет и моделирование системы управления объектом модернизации, а именно автоматизированным электроприводом ленточного конвейера.

В данной работе моделируется и исследуется возможность замены установленного электропривода на привод с векторным управлением по системе ПЧ-AДК.

Были поставлены и достигнуты следующие задачи:

произведен расчет мощности оборудования, по результатам расчетов осуществлен выбор асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором;

на основе паспортных данных электродвигателя выбран преобразователь частоты;

рассчитаны параметры схемы замещения, необходимые для моделирования электродвигателя в среде Simulink/Matlab, построена естественная механическая характеристика электродвигателя;

рассчитаны параметры регуляторов скорости, потокосцепления;

составлена и промоделирована система ПЧ-АДК с векторным управлением;

рассчитано сопротивление естественного заземлителя и рассмотрена возможность не использовать искусственные заземлители;

рассчитан чистый дисконтированный доход для оценки экономической эффективности модернизации. По результатам расчетов построен график, с помощью которого оценен срок окупаемости модернизации, который составил 2 года 7 месяцев.

Пояснительная записка содержит 53 страницы, 27 рисунков, 56 формул, 8 таблиц и одно приложение. При выполнении дипломного проекта было использовано 16 источников информации. Графическая часть содержит в себе 8 листов формата А4.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ7

1. РАСЧЕТНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Устройство ленточного конвейера

1.2 Расчет мощности конвейера

1.3 Расчет параметров схемы замещения и построение механической характеристики

1.4 Моделирование работы АДК при прямом пуске Matlab/Simulink

1.5 Выбор частотного преобразователя

1.6 Анализ системы векторного управления ПЧ-АД механизма ленточного конвейера

1.6.1 Подсистема тормозного прерывателя

1.6.2 Подсистема регулятора скорости

1.6.3 Подсистема векторного управления (F.O.C.)

1.7 Расчет параметров модели ПЧ и моделирование системы векторного управления ПЧ-АД

1.7.1 Расчет параметров ПИ-регулятора

2. ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ

3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТь

3.1 Определение капитальных затрат

3.2 Определение эксплуатационных затрат

3.3 Определение экономии от модернизации

3.4 Определение экономического эффекта

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А



ВВЕДЕНИЕ

Стойленский ГОК является одним из крупнейших ведущих производителей железной руды в России. Участвует в разработке Стойленского месторождения КМА. Главной продукцией комбината является железорудный концентрат и железная агломерационная руда для производства чугуна и стали. Добыча руды и кварцитов осуществляется в открытом карьере с помощью буровзрывных работ. На следующем этапе разработки богатую железом руду сразу отгружают потребителям, а кварциты отправляют на дробилки обогатительной фабрики, чтобы при помощи магнитной сепарации произвести извлечение железорудного концентрата [1].

Реконструируемый конвейер СМ-19А входит в состав корпуса мелкого и среднего дробления обогатительной фабрики. В указанном корпусе происходят такие процессы как: распределение руды по бункерам дробилок среднего дробления, классификация руды по классу 60 мм, отгрузка руды в корпус обогащения, среднее и мелкое дробление руды. На конвейер попадает надрешетный продукт поверочного грохочения существующих линий дробления № 4А, 5А, 6А и линии № 3А. С конвейера СМ-19А продукт перегружается на конвейер СМ-19Б и далее на конвейер СМ-19. Просыпи и пыль удаляются с помощью системы гидросмыва самотеком по дренажным лоткам в сборные зумпфы с дальнейшим возвратом при помощи грейфера на конвейерные линии СМ-19А (см. рисунок 1) [2].

Чтобы добиться максимальной эффективности при эксплуатации ленточного конвейера был рассмотрен вариант применения автоматизированной системы управления скоростью электропривода, которая реагировала бы на изменения параметров фактического грузопотока, находящегося на ленте в каждый момент времени [4].

Рисунок 1 - Схема цепи аппаратов участка дробления

Главной задачей представленной работы является изучение возможности повышения энергоэффективности системы управления ленточным конвейером, который осуществляет перемещение руды в корпусе среднего и мелкого дробления, путем внедрения современной автоматизированной системы управления скоростью электропривода.

Модернизация электропривода ленточного конвейера СМ-19А позволит повысить надежность оборудования, снизить экономические затраты, повысить производительность.



1. РАСЧЕТНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Устройство ленточного конвейера

Ленточным конвейером называют оборудование, осуществляющее непрерывную транспортировку какого-либо груза. Ленточный конвейер работает при помощи замкнутой гибкой ленты, которая приводится в поступательное движение приводным барабаном. Он осуществляет передачу тягового усилия ленте за счет сил трения [3].

Конвейер ленточный СМ-19А предназначен для подачи надрешетного продукта поверочного грохочения существующих линий дробления № 4А, 5А, 6А и линии № 3А на конвейер СМ-19.

Ленточный конвейер рассчитан на продолжительный режим работы в помещениях. В качестве тягового органа применяется резинотканевая лента шириной 2000 мм разрывной плотностью 31150 Н/м с гладкой поверхностью. Загрузка рабочей ветви ленты производится несколькими загрузочными устройствами (питателями), расположенными в хвостовой и центральной частях конвейера. Разгрузка конвейера производится через приводной барабан [5].

Конвейерная лента приводится в движение за счет силы трения, которая возникает при вращении приводного барабана. Привод конвейера состоит из электродвигателя, который соединен муфтой с редуктором. Редуктор, в свою очередь, также при помощи муфты присоединяется к приводному барабану. Роликоопоры регулируют расположение рабочей ленты по оси конвейера: верхняя ветвь ленты на верхних желобчатых, нижняя ветвь на нижних желобчатых. Каждая такая опора - это специальная металлоконструкция, на которой смонтированы три вращающихся ролика. Средний расположен горизонтально, а два боковых - под определенным углом (от 10 до 45 ). Движущаяся по ним транспортерная лента образует желоб, в котором перемещается сыпучий груз. Благодаря такому техническому решению процент потерь сводится к минимуму. Данные роликоопоры не только поддерживают ленту, но и в автоматическом режиме выполняют центрирующую функцию (см. рисунок 2). Они устанавливаются по всей длине конвейера с шагом от 0,6 до 1,2 метра. Оборудование рассчитано на транспортировку сыпучих грузов фракцией 0 - 150 мм. Данные опоры имеют продуманную и безопасную конструкцию. Реализованное техническое решение исключает случайное выпадение роликов из кронштейнов и повреждение ленты [6].

Рисунок 2 - Роликоопоры ленточного конвейера: для верхней ветви рядовая желобчатая; для нижней ветви: желобчатая; 1 - кронштейн; 2 - ролик; 3 - рама роликоопоры; D - диаметр ролика

Фрикционная связь между приводным барабаном и лентой обеспечивается за счет натяжного устройства, которое установлено на противоположной стороне ленточного конвейера в концевой части. Данный конвейер оснащен тележечно-грузовым натяжным устройством (см. рисунок 3). Это натяжное устройство обеспечивает постоянное и равномерное натяжение гибкой ленты. Такое натяжение достигается благодаря постоянному действию силы, возникающей при оттягивании натяжного барабана грузами определенной массы. При помощи стального каната и системы отклоняющих блоков груз оттягивает тележку, на которой установлен натяжной барабан и передвигает её вдоль продольной оси конвейера [7].

Рисунок 3 - Схема тележечно-грузового натяжного устройства

Ленточный конвейер СМ-19А является горизонтально-наклонным. Такие конвейеры хорошо подходят для транспортировки насыпных грузов. Также ленточный конвейер оснащен боковыми ограждениями, которые образуют направляющие борта определенной высоты. Исследуемый конвейер относится к стационарному типу. Применяется в промышленных производствах, на карьерах, в рудниках и шахтах. Схема ленточного конвейера СМ-19А представлена в приложении А.

Технические данные конвейера приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические данные конвейера

Наименование параметра	Значение параметра
Производительность, т/ч	2000
Межосевое расстояние, м	57,2
Максимальный угол наклона конвейера, градусы	8
Скорость движения ленты, м/с	2,4
Тип конвейера	Стационарный
Тип редуктора	ЦДН-630
Тип электродвигателя	АИР-315-6
Тормоз	ТКТГ-600
Напряжение питающей сети, В	400
Номинальная мощность электродвигателя, кВт	110
Барабан приводной, мм	1250
Барабан натяжной, мм	1000



1.2 Расчет мощности конвейера

В настоящее время на объекте реконструкции стоит электродвигатель с короткозамкнутым ротором, номинальной мощностью 110 кВт. С целью повышения производительности конвейера с 2000 т/ч до 3540 т/ч, требуется заменить имеющийся привод на двигатель большей мощности.

Для того, чтобы выбрать новый двигатель были рассчитаны силы, действующие на конвейер, общая масса роликов, а также статическая мощность для наклонного и горизонтального участков. Выбор двигателя конвейера будем осуществлять по следующей методике [8]. Для определения мощности привода ленточного конвейера и соответствующих сил сопротивления, силы, действующие на конвейер, разделяются на следующие группы:

основные силы сопротивления ;

вторичные силы сопротивления ;

силы сопротивления подъему ;

прочие силы сопротивления .

Основная сила сопротивления определяется сразу для двух ветвей конвейера (холостой и рабочей):

где: L1 - длина горизонтального участка ленточного конвейера, 38,7 м;

f - коэффициент трения, 0,005;

g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с2;

mR - общая масса роликов участка конвейера, кг/м;

mG - масса ленты, 60 кг/м;

mL - максимальная нагрузка, кг/м;

- средний угол подъема конвейера, градусы.

Общую массу роликов рассчитаем через объем для роликоопор рабочей и холостой ветви:

где: z1 - кол-во роликов рабочей ветви, 105;

d1 - диаметр роликов нагруженной ветви, 0,194 м;

l1 - длина роликов нагруженной ветви, 0,75 м;

p - плотность стали, 7800 кг/м3;

z2 - кол-во роликов холостой ветви, 24;

d2 - диаметр роликов холостой ветви, 0,194 м;

l2 - длина роликов холостой ветви, 1,15 м.

Чтобы рассчитать максимальную нагрузку, понадобится разделить производительность конвейера на скорость движения ленты:

где: - производительность конвейера, 3540000 кг/ч;

V - скорость движения ленты, 2,4 м/с.



Рассчитаем основную силу сопротивления:

Вторичные силы сопротивления складываются из следующих составляющих:

сила инерции груза и сила трения между грузом и лентой в месте загрузки конвейера;

сила трения между грузом и боковыми направляющими;

cила трения между лентой и скребком;

сила сопротивления изгибу ленты.

Для того, чтобы учесть все действующие вторичные силы сопротивления нужен коэффициент С. Его расчет произведем по формуле (4):

Так как при движении вторичные силы сопротивления оказывают незначительное влияние, то коэффициент С можно взять из таблицы 2 [8]:



Таблица 2 - Коэффициенты С вторичных сил сопротивления в зависимости от длины конвейера L

Длина конвейера, м	< 20	20	40	60	80	100	150	200	300
Коэффициент вторичных сил	3	2,5	2,28	2,1	1,92	1,78	1,58	1,45	1,31
Длина конвейера, м	400	500	600	700	800	900	1000	2000	>2000
Коэффициент вторичных сил	1,25	1,2	1,17	1,14	1,12	1,1	1,09	1,06	1,05

При длине горизонтального участка конвейера в 38,7 метров коэффициент С будет равен 2,28.

Чтобы рассчитать мощность привода, необходимо также знать значение силы, возникающей во время перемещения груза на наклонном участке:

Поскольку на данном этапе работы осуществляется расчет горизонтального участка, сила сопротивления подъему перемещаемого груза отсутствует. Прочие силы, действующие на конвейер, также отсутствуют. Последним этапом расчета параметров горизонтального участка является расчет статической мощности по формуле (6):

где: - КПД конвейера, 0,9.

Так как на всем протяжении конвейера имеется участок, находящийся под наклоном, то проведем все расчеты повторно, но уже учитывая угол наклона конвейера.

Общая масса роликов для наклонного участка:

Рассчитаем основную силу сопротивления наклонного участка конвейера:

При длине наклонного участка конвейера 18 метров коэффициент С возьмем также из таблицы 2. Он будет равен 3.

Сила сопротивления подъему перемещаемого груза:

Статическая мощность наклонного участка будет равна:

Сложив статические мощности горизонтального и наклонного участков, получим общую мощность электропривода конвейера.

В соответствии с общей мощностью электропривода конвейера, для расчета которой была учтена повышенная производительность, и заданной скоростью вращения вала выбираем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором компании Siemens серии 1LE1502-3AC63-4FA4.

Серия 1LE1 представляет собой обновленную линейку электродвигателей Siemens, которые отличаются высоким уровнем эффективности. Низковольтные двигатели Siemens обладают очень высокой надежностью, прочностью и эффективностью в эксплуатации. За счет использования стандартизированных параметров корпуса двигателя процесс монтажа облегчается в разы.

Двигатели Siemens обладают достаточно низкой вибрацией, имеют надежные подшипники, которые обеспечивают продолжительный срок службы, тепловой класс защиты от F до B. В стандартном исполнении двигатели имеют класс защиты IP55, а также могут работать с частотным преобразователем.

Паспортные данные выбранного двигателя приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Паспортные данные двигателя 1LE1502-3AC63-4FA4

Наименование параметра	Значение параметра
Номинальная мощность, кВт	160
Номинальное напряжение, В	400
Номинальная скорость, об/мин	988
КПД 4/4, %	93,8
КПД 3/4, %	93,9
Номинальный коэффициент мощности	0,86
Номинальный ток, А	285
Кратность пускового тока	7,7
Номинальный момент, Нм	1546
Кратность пускового момента	3,1
Кратность максимального момента	3
Момент инерции, кгм2	4,7

Обозначение маркировки 1LE1502-3AC63-4FA4:

1LE150 - чугунный корпус;

2 - энергоэффективность электродвигателя повышенного класса IE1;

3А - типоразмер 315;

C - число полюсов 6;

6 - длина активной части;

34 - напряжение, тип соединения обмотки и частота;

F - тип конструкции;

А - защита электродвигателя;

4 - расположение клеммной коробки.

Двигатель работает в режиме продолжительной нагрузки (S1). В данном режиме электродвигатель работает при неизменной номинальной нагрузке на протяжении длительного промежутка времени, что позволяет температуре всех его частей выйти на установившееся значение. Данный процесс происходит за время, которое в три раза больше постоянной времени нагрева, следовательно проводить проверку двигателя на нагрев не обязательно.

Рассчитаем пусковой момент двигателя по формуле (7):

где: kп - кратность пускового момента, 3,1;

Mн - номинальный момент, 1546 Нм.

При постоянной статической нагрузке необходимо выполнение следующего условия:

где: Pсв - общая статическая мощность электропривода, 156,1 кВт;

Pном - мощность, развиваемая двигателем при номинальном режиме S1, 160 кВт.

Из этого неравенства видно, что рассчитанная мощность электропривода конвейера меньше мощности электропривода, который был выбран для осуществления модернизации, следовательно условия проверки выполняются. Данный двигатель может быть использован для увеличения производительности [9].

1.3 Расчет параметров схемы замещения и построение механической характеристики

Для того, чтобы произвести моделирование переходных процессов в двигателе, а также проверить сходимость паспортных данных с результатами расчетов, необходимо определить параметры схемы замещения. Расчет будем осуществлять на основе параметров, содержащихся в паспортных данных электродвигателя [10].

Для начала необходимо осуществить переход от линейного напряжения к фазному:

где: Uл - линейное напряжение, 400 В.

После этого было использовано уравнение (10), чтобы рассчитать ток, протекающий в статорной обмотке двигателя:

где: p - частичная нагрузка, 0,75;

Pном - номинальная мощность двигателя,160000 Вт;

- коэффициент мощности при частичной нагрузке, 0,8;

- КПД при частичной нагрузке, 0,939 %.

Определим номинальный ток статора двигателя:

где: - коэффициент мощности при полной нагрузке, 0,86;

- КПД при полной нагрузке, 0,938 %.

Ток холостого хода найдем из выражения (12):

где: sн - номинальное скольжение, 0,012.

Значение коэффициента ? берется из диапазона (0,6 ч 2,5). Для дальнейших расчетов данный коэффициент был принят равным 1,5. Полученное соотношение из формулы Клосса применим для расчета критического скольжения:

где: ? - отношение сопротивлений статора и ротора, 1,5;

km - кратность критического момента, 3.

После расчета критического скольжения необходимо определить коэффициенты С1 и А1. Изначально определим коэффициент С1, так как он используется при расчете коэффициента А1:

где: ki - кратность пускового тока, 7,7.



По результатам расчетов коэффициента С1 произведем расчет коэффициента А1, опираясь на формулу (15):

где: m - число фаз, 3.

В соответствии с рассчитанными коэффициентами найдем активное сопротивление ротора:

На следующем этапе расчетов найдем активное сопротивление обмотки статора, используя выражение (17):

Чтобы вычислить индуктивное сопротивление короткого замыкания, нужно знать значение параметра ?. При помощи уравнения (18) рассчитаем параметр ?:

По результатам расчета индуктивного сопротивления короткого замыкания, определим индуктивное сопротивление рассеяния фаз роторной обмотки, воспользовавшись формулой (20):

Значение индуктивного сопротивления короткого замыкания также было использовано при нахождении индуктивного сопротивления рассеяния фаз статорной обмотки:

ЭДС ветви намагничивания Em, возникающая под воздействием потока в воздушном зазоре обмотки статора, для номинального режима, равна:

Используя формулу (23), найдем индуктивное сопротивление контура намагничивания:

По формуле (24) произведем расчет коэффициента с:

При расчете индуктивности статора, ротора и цепи намагничивания были использованы значения индуктивных сопротивлений соответствующих величин, а также частота питающей сети.

Таким образом индуктивность статора равна:

где: f - частота питающей сети, 50 Гц.

Индуктивность ротора:

Индуктивность цепи намагничивания:

Для того, чтобы рассчитать номинальный момент двигателя определим номинальную угловую скорость двигателя:

где: nн - номинальная асинхронная скорость двигателя, 988 об/мин.

Номинальный момент двигателя посчитаем по формуле (29):

Рассчитаем критический момент двигателя:

Магнитный поток:

Подставляя рассчитанные параметры схемы замещения в формулу зависимости момента от скорости, была построена механическая характеристика асинхронного электродвигателя (см. рисунок 4):

Рисунок 4 - Естественная механическая характеристика электродвигателя

По графику можно сказать, что во всем рабочем диапазоне электродвигателя его механическая характеристика обладает достаточно высокой жесткостью.

1.4 Моделирование работы АДК при прямом пуске Matlab/Simulink

В среде Simulink/Matlab была построена модель асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, которая состоит из источника питания, блока, имитирующего нагрузку, двигателя и осциллографа. Модель, подобранного на замену асинхронного электродвигателя, представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Модель двигателя в Matlab/Simulink

Для моделирования прямого пуска были использованы рассчитанные параметры схемы замещения асинхронного двигателя, которые представлены на рисунке 6. Так как в параметры двигателя заносится полная мощность, необходимо произвести ее расчет. По формуле (32) определим полную мощность электродвигателя:

Рисунок 6 - Параметры двигателя



Рисунок 7 - График изменения тока статора (А), график изменения электромагнитного момента двигателя (Б), график изменения частоты вращения ротора двигателя (В)

После окончания времени моделирования были получены зависимости:

тока статора от времени;

электромагнитного момента от времени;

скорости ротора от времени.

Была промоделирована работа двигателя без нагрузки, а также работа двигателя под нагрузкой (при подаче номинального момента). На графиках видно, что при работе двигателя под нагрузкой электромагнитный момент, скорость ротора и номинальный ток статора совпадают с паспортными значениями. Следовательно, по результатам моделирования можно сделать вывод, что параметры схемы замещения рассчитаны верно. Сравнение рассчитанных параметров и параметров модели приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Сравнение параметров схемы замещения и модели

Параметр	Расчет/Каталог	Модель	,%
I0	129,259	130,815	1,2
Iн	286,285	289,207	1,02
щн	103,463	104,711	1,2
Мmax	4638	4700	1,3



1.5 Выбор частотного преобразователя

Прямой пуск - самый дешевый и простой метод пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Двигатель напрямую включается обмоткой статора на номинальное напряжение сети. Когда происходит запуск электродвигателя, возникает большой по величине пусковой ток. Его воздействие негативно влияет на сеть, приводя к сильным просадкам напряжения, тем самым нарушая процесс пуска двигателя. Кроме того, большой пусковой ток вызывает существенные термические перегрузки обмотки, под воздействием которых ускоряется процесс старения изоляции. При ускоренном процессе старения изоляция начинает повреждаться, что может спровоцировать короткое замыкание. Такой метод запуска электродвигателя является не самым надежным и характеризуется тремя очень важными недостатками: влиянием на сеть, на сам двигатель и на технологический процесс [11].

Устройства плавного пуска (УПП) и преобразователи частоты (ПЧ) способны решить вышеуказанные проблемы. УПП являются более экономичным вариантом и применяются в условиях, где необходимо осуществлять контроль токовых нагрузок и крутящего момента только во время начала и окончания работы электродвигателя. Частотный преобразователь в свою очередь является более дорогостоящим вариантом и применяется в тех местах, где требуется контроль скорости не только во время пуска и торможения, но и на протяжении всей работы привода. Используя систему управления с применением ПЧ, можно осуществлять регулирование производительности агрегата в заданных пределах, при этом не применять специальные механизмы. Системы с УПП этого не могут. Еще одним нюансом является то, что при использовании систем с ПЧ наблюдается экономия электроэнергии. Тем самым, делая выбор в пользу ПЧ, можно увеличить производительность конвейера, повысить энергоэффективность и срок службы привода, избавиться от бросков пускового тока и на протяжении всего цикла работы электропривода осуществлять регулирование скорости. В связи с этим было принято решение применить систему управления ПЧ-АДК [12].

Так как ранее было предложено использовать двигатель компании Siemens, для рассматриваемой системы управления следует выбрать преобразователь частоты той же фирмы. Применение оборудования от одного производителя целесообразно по следующим причинам:

централизованная поставка и наличие комплектующих. При выходе из строя отдельных элементов не нужно прибегать к помощи разных сервисных центров. Достаточно обратиться всего в один, что является быстрым и эффективным;

стопроцентная совместимость комплектующих и оборудования. Это важно для целостной работы системы;

персоналу проще научиться пользоваться оборудованием, изготовленным в рамках единой производственной политики;

использование одних стандартов.

Результатом будет являться оптимальный рабочий процесс - от проектирования до обслуживания, что повлечет за собой увеличение производительности и повышение эффективности.

Преобразователь частоты Sinamics G120 предназначен для обеспечения точного и экономичного регулирования скорости трехфазных двигателей. Различные версии устройств с диапазоном мощности от 0,37 до 250 кВт подходят для широкого спектра приводных решений.

Данный частотный преобразователь имеет модульную конструкцию (блок управления CU и силовой модуль PM), также в нем реализована новая концепция охлаждения, которая повышает его надежность. Преобразователь Sinamics G120 имеет съемную карту памяти ММС, полупроводниковый контроль температуры. Помимо этого, в нем реализованы несколько протоколов связи: Profibus, Profinet, Modbus.

При помощи блока CU осуществляется управление силовым модулем и подключенным двигателем, используя различные типы управления с замкнутым контуром. Он поддерживает связь с локальным или центральным контроллером и устройствами мониторинга. Блок управления CU240E-2 DP был разработан как стандартный блок управления для всех обычных применений, связанных с U/f или векторным управлением. Он подходит для конвейерных лент.

Силовой модуль может питать двигатель мощностью от 0,37 до 250 кВт. Он оснащен самой современной технологией IGBT имеющей функции широтно-импульсного модулирования напряжения двигателя и выбора частоты импульсов. Комплексные функции защиты обеспечивают высокую степень защиты силового модуля двигателя. Силовые модули PM240-2 основаны на новой аппаратной платформе. Это позволяет увеличить мощность, а также применять инновационные концепции охлаждения. Силовой модуль PM240-2 имеет встроенный тормозной прерыватель (избыточная энергия в звене постоянного тока рассеивается в тормозном резисторе).

Преобразователь частоты должен быть подобран таким образом, чтобы его номинальная мощность и номинальный выходной ток были больше или равны номинальной мощности и номинальному току двигателя, в связке с которым будет работать преобразователь. Преобразователь частоты Siemens серии Sinamics G120 6SL3210-1PE33-0AL0 был подобран с учетом указанных выше условий [13].

Паспортные данные преобразователя частоты представлены в таблице 5.



Таблица 5 - Параметры преобразователя частоты G120 6SL3210-1PE33-0AL0

Наименование параметра	Значение параметра
Номинальная мощность, кВт	160
Номинальный выходной ток, А	302
Коэффициент мощности	0,98
КПД, %	>98
Потери мощности при номинальном токе, кВт	3,67
Номинальная частота импульсов, кГц	2
Степень защиты	IP20
Способ охлаждения	Внутреннее воздушное охлаждение

Параметры данного преобразователя частоты полностью соответствуют вышеописанным требованиям, что указывает на правильность выбора данного оборудования:

1.6 Анализ системы векторного управления ПЧ-АД механизма ленточного конвейера

Для управления асинхронным двигателем была рассмотрена векторная система управления.

Векторное управление - вариант частотного управления бесщеточными двигателями, использующий в качестве управляющих воздействий величину и угол пространственного вектора тока. Это позволяет независимо изменять магнитный поток и электромагнитный момент двигателя.

Так как конвейер является достаточно длинным оборудованием и его запуск производится при значительной загруженности, нужно обеспечивать плавные переходные процессы с требуемыми ограничениями ускорения и момента. При использовании скалярного управления на данном оборудовании не удастся обеспечить требуемую плавность переходных процессов. Исходя из этого было выбрано векторное управление.

На рисунке 8 представлена модель асинхронного электропривода, который управляется преобразователем частоты. В преобразователе частоты реализована векторная система управления. Модель включает в себя следующие блоки:

трёхфазный источник напряжения;

привод с векторным управлением;

формирование задания по скорости;

формирование задания по статическому моменту сопротивления.

Рисунок 8 - Модель асинхронного электропривода с векторной системой управления

На рисунке 9 показана структурная схема частотно-регулируемого привода. Она включает в себя блоки регулятора скорости, векторного управления, силовой части преобразователя частоты. Трехфазный диодный выпрямитель, подсистема тормозного прерывателя и инвертор напряжения составляют силовую часть преобразователя частоты.

Рисунок 9 - Структурная схема частотно-регулируемого привода механизма ленточного конвейера

1.6.1 Подсистема тормозного прерывателя

В блоке DC Bus реализована емкостная шина постоянного тока. Тормозное сопротивление переключается на основе напряжений включения и выключения, которые задаются в качестве параметров. Как показано на рисунке 10, тормозной прерыватель включается, когда напряжение шины достигает верхнего предела полосы гистерезиса. Когда напряжение шины достигает нижнего предела полосы гистерезиса, тормозной прерыватель выключается.

Рисунок 10 - Гистерезисная логика тормозного прерывателя

Модель подсистемы тормозного прерывателя, включающая в себя тормозной резистор и сглаживающий конденсатор, показана на рисунке 11.

Рисунок 11 - Модель подсистемы тормозного прерывателя

1.6.2 Подсистема регулятора скорости

Блок, в котором реализован регулятор скорости (см. рисунок 12) представляет собой модель ПИ-регулятора (см. рисунок 13) для асинхронных электродвигателей, используемых в системах с векторным управлением. Сравнивая заданную скорость и фактическую, на выходе получаем значение потокосцепления (Flux) и крутящего момента рассматриваемого двигателя (Torque).

Рисунок 12 - Модель регулятора скорости в Matlab/Simulink

Рисунок 13 - Структурная схема подсистемы ПИ-регулятора

1.6.3 Подсистема векторного управления (F.O.C.)

Модель подсистемы F.O.C. представлена на рисунке 14. Внутри данной структуры происходят координатно-фазные преобразования, а также расчет составляющих тока статора по двум координатам d и q, которые нужны для нахождения электромагнитного момента на валу двигателя. Помимо этого, в блоке векторного управления реализованы регуляторы тока и потокосцепления.

Рисунок 14 - Содержимое блока векторного управления

В качестве регулятора потокосцепления используется ПИ-регулятор (см. рисунок 15). На его входы поступают задание по потокосцеплению и рассчитанное потокосцепление. На выходе регулятора получаем управляющее воздействие по потокосцеплению.

Рисунок 15 - Модель регулятора потокосцепления

Блок Flux Calculation оценивает поток ротора двигателя. Этот расчет основан на математической модели двигателя (см. рисунок 16).

Рисунок 16 - Содержимое блока Flux Calculation

Блок расчета Teta Calculation находит фазовый угол потокосцепления ротора (см. рисунок 17).

Рисунок 17 - Содержимое блока Teta Calculation

Блок ABС-DQ выполняет преобразование фазных переменных ABC в систему координат d-q вращающегося поля ротора (см. рисунок 18).

Рисунок 18 - Содержимое блока ABС-DQ

Используя значения параметров потокосцепления и крутящего момента, в блоке, содержащем логику расчета проекции тока статора на ось q, происходит вычисление составляющей тока статора по данной оси. Составляющая тока статора по оси q необходима для создания электромагнитного момента двигателя (см. рисунок 19).

Рисунок 19 - Содержимое блока iqs* Calculation

Блок расчета проекции тока статора на ось d использует заданное потокосцепление ротора для вычисления составляющей тока статора по оси d, необходимой для получения потокосцепления ротора в двигателе (см. рисунок 20).

Рисунок 20 - Содержимое блока ids* Calculation



Блок вектора намагничивания (M_vector) содержит вектор, используемый для создания начального потока двигателя (см. рисунок 21).

Рисунок 21 - Содержимое блока M_vector

Блок управления намагничиванием (Magnnetistion) содержит логику переключения между намагничиванием и нормальным режимом работы (см. рисунок 22).

Рисунок 22 - Содержание блока Magnetisation

В блок DQ-ABC поступают расчетные значения Ids* и Iqs*, которые преобразуются в задания фазных токов (см. рисунок 23).

Рисунок 23 - Содержимое блока DQ-ABC



Блок регулятора тока представляет собой гистерезисный регулятор с изменяющейся полосой пропускания гистерезиса, который переключается между двумя состояниями (см. рисунок 24).

Рисунок 24 - Содержимое блока Current Regulator

Блок Switching control ограничивает частоту коммутации инвертора максимальным значением (см. рисунок 25).

Рисунок 25 - Содержимое блока Switching control

электропривод конвейер заземлитель

1.7 Расчет параметров модели ПЧ и моделирование системы векторного управления ПЧ-АД

Для расчета электрической емкости сглаживающего конденсатора в звене постоянного тока, определим значения напряжения в звене постоянного тока и амплитуды первой гармоники пульсаций напряжения по уравнениям (36) и (37) соответственно:

где: Uc - напряжение питающей сети, 400 В.

Подставив рассчитанные параметры в формулу (38), получим электрическую емкость конденсатора в звене постоянного тока:

Для управления затвором переключателя нужно знать значения напряжений активации и деактивации тормозного резистора. Сначала необходимо найти максимальное напряжение в звене постоянного тока:

Напряжение деактивации и активации рассчитаем по формулам (40) и (41) соответственно, используя значение максимального напряжения:

Возведем напряжение активации в квадрат и разделим его на номинальную мощность преобразователя частоты, тем самым получим сопротивление тормозного резистора:

Используя стандартный ряд номиналов сопротивлений, подберем тормозной резистор с сопротивлением 2,4 Ом [14].

1.7.1 Расчет параметров ПИ-регулятора

Найдем малую некомпенсируемую постоянную времени:

где: fШИМ - максимальная частота переключения, 20000 Гц;

fф - частота среза, 1000 Гц;

TSAMP - время выборки контроллера, 2010-6 с.

Из выражения (44) найдем значение постоянной времени интегрирования ПИ-регулятора:

Найдем постоянную времени ротора:

,

В итоге мы получили значения постоянных времени ротора и интегрирования, с помощью которых можно рассчитать пропорциональный коэффициент ПИ-регулятора потокосцепления:

Используя постоянную времени интегрирования ПИ-регулятора, найдем интегральный коэффициент ПИ-регулятора потокосцепления:

После расчета коэффициентов пропорциональной и интегральной частей ПИ-регулятора потокосцепления, произведем вычисление интегрального коэффициента ПИ-регулятора скорости:

где: J - момент инерции двигателя, 4,7 кгм2;

p - число пар полюсов, 3.

Рассчитаем пропорциональный коэффициент ПИ-регулятора скорости, используя выражение (49):

На рисунке 26 представлены результаты моделирования системы управления электроприводом ленточного конвейера.

Рисунок 26 - Графики зависимостей: тока статора (А), скорости ротора (Б), электромагнитного момента (В) и напряжения двигателя (Г) от времени

На представленных графиках видно, что пуск и торможение конвейера происходят при постоянном ускорении и, следовательно, динамическом моменте, что позволит уменьшить вероятность обрыва и схода ленты. Также броски тока не превышают допускаемые значения для сети корпуса среднего и мелкого дробления.



2. ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ

При эксплуатации электрических приборов, аппаратов и оборудования необходимо принимать во внимание защиту обслуживающего персонала и других лиц, которые принимают участие в его работе, от поражения электрическим током, как при нормальном режиме эксплуатации электроустановки, так и в случае возникновения аварийной ситуации, например при повреждении изоляции. Одним из главных элементов защиты являются средства заземления. Заземление - преднамеренное соединение корпусов всех электроприборов с контуром заземляющего устройства.

Заземление используется в основном для двух целей:

для правильной работы электрооборудования в нормальном или аварийном режимах;

для обеспечения безопасности, защиты людей и электроустановок от внешнего воздействия.

Для отвода тока в землю применяется заземляющее устройство, которое осуществляет связь подлежащих заземлению частей электроустановки с землей. Эффект защитного заземления заключается в снижении напряжения между корпусом электроустановки и землей [15].

Чтобы реализовать контур заземления, используются естественные и искусственные заземлители. Первым делом необходимо проверить, имеется ли возможность использования естественных заземлителей. В данном случае естественным заземлителем можно считать железобетонный фундамент цеха, в котором расположено рассматриваемое оборудование.

В районе расположения ленточного конвейера преобладает грунт «супесок». Учитывая то, что в качестве естественного заземлителя в работе рассматривается железобетонный фундамент КСМД, заземление следует оценивать по формуле [16].



где: pэ - эквивалентное удельное сопротивление земли, Омм;

S - площадь цеха, 16000 м2.

Для расчета эквивалентного удельного сопротивления земли pэ следует воспользоваться формулой (51):

где: p1 - удельное электрическое сопротивление верхнего слоя земли, 300 Ом;

- безразмерный коэффициент, 110;

h1 - мощность (толщина) верхнего слоя земли, 1 м.

Таким образом, подставляя известные параметры в формулу (51), рассчитаем эквивалентное удельное сопротивление грунта:

Рассчитаем сопротивление растеканию тока заземляющего устройства, которым является железобетонный фундамент цеха:



Опираясь на представленную выше информацию, принято решение не сооружать искусственные заземлители, так как рассчитанное сопротивление не превышает нормируемое значение 4 Ом [15].



3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

3.1 Определение капитальных затрат

Чтобы максимально точно оценить экономическую эффективность предполагаемой модернизации, нужно определить и рассчитать итоговую сумму капитальных затрат. Основные капитальные затраты составили электродвигатель и преобразователь частоты. Другие затраты, которые зависят от суммарной стоимости оборудования, приведены в таблице 6 с соответствующей стоимостью.

Таблица 6 - Капитальные затраты на разработку системы ПЧ-АДК

Наименование оборудования	Кол-во	Сметная стоимость, руб.
Электродвигатель	1	1 284 768
Преобразователь частоты	1	717 732
Транспортные расходы составляют 10% от стоимости оборудования	200 250
Строительно-монтажные работы составляют 2% от стоимости оборудования	40 050
Заготовительно-складские расходы составляют 1,2% от стоимости оборудования	24 030
Плановые наложения от строительно-монтажных работ составляют 6% от стоимости оборудования	120 150
Итого	2 386 980

3.2 Определение эксплуатационных затрат

При эксплуатации нового оборудования будут возникать расходы связанные с производством продукции, обусловленные технологией и организацией производства. Эти расходы складываются из:

годовых затрат на обслуживание и текущий ремонт СРО;

годовых амортизационных отчислений Са.

Годовые затраты на обслуживание и текущий ремонт для цехового оборудования составляют 10 процентов от его стоимости:

где: К - стоимость оборудования, 2002500 руб.

Годовые амортизационные отчисления рассчитываются в зависимости от группы оборудования. Ленточный конвейер относится к третьей амортизационной группе, для которой характерна двадцатипроцентная норма амортизации.

Амортизация оборудования:

где: p - ежегодная норма амортизации для ленточного конвейера.

Таким образом ежегодные текущие затраты равны:



3.3 Определение экономии от модернизации

В данной дипломной работе рассчитывается автоматизированный электропривод, которым является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором фирмы Siemens серии 1LE1. Внедрение автоматизированной системы управления электроприводом при помощи преобразователя частоты предполагает появление экономического эффекта за счет увеличения производительности конвейера. В год СГОК производит примерно 18 млн. тонн железорудного концентрата. Стоимость одной тонны концентрата на рынке 9120 рублей при себестоимости 760 рублей. Фонд рабочего времени узлов перегрузки руды с конвейера СМ-19А на конвейер СМ-19Б составляет 24 часа в сутки, 8472 часа в год. Таким образом при увеличении производительности конвейера на 1540 т/час наблюдается увеличение объема руды, транспортируемой по конвейеру до 13046880 т/год. Если считать, что для производства одной тонны концентрата нужно примерно 4 тонны руды, то из этого кол-ва получится 3261720 тонн концентрата. Примем, что ежегодно модернизация ленточного конвейера СМ-19А будет приносить доход в 1300000 рублей.

3.4 Определение экономического эффекта

Расчет экономического эффекта произведен на основании чистого дисконтированного дохода (ЧДД). Чистый дисконтированный доход - это сумма, на которую может прирасти ценность предприятия в результате реализации модернизации. Если в течение расчетного периода не происходит инфляционного изменения цен, или расчет производится в базовых ценах, то величина ЧДД для постоянной нормы дисконта вычисляется по формуле (55):



где: t - год работы после реализации проекта;

Дt - доходы, достигаемые на t-ом году;

Рt - затраты, осуществляемые на том же году;

б - ставка дисконтирования.

Размер ставки дисконтирования равен официальной ставке рефинансирования ЦБ РФ, которая установлена на уровне 5 процентов.

Для нахождения чистого дисконтированного дохода рассчитаем коэффициент дисконтирования:

Таблица 7 отражает результаты расчетов коэффициента дисконтирования, с помощью которого можно оценить, сколько денег удастся получить через определенное время. В данном случае через 5 лет.

Таблица 7 - Коэффициент дисконтирования за 5 лет

Годы	1	2	3	4	5
k	0.952380952	0.907029478	0.863837599	0.822702475	0.783526166

Чистый дисконтированный доход равен разнице расхода и дохода, умноженного на коэффициент дисконтирования. В таблице 8 приведены результаты расчетов чистого дисконтированного дохода.

Таблица 8 - ЧДД за 5 лет

Годы	1	2	3	4	5
ЧДД, руб.	-1 607 362	-973 122	-369 083	206 192	754 072

Используя данные, представленные в таблице 8, был построен график ЧДД (см. рисунок 27). На основе представленной ниже зависимости можно сказать, что проект модернизации полностью окупит себя за 2 года 7 месяцев.

Рисунок 27 - График ЧДД



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дипломном проекте была предложена модернизация автоматизированного электропривода ленточного конвейера СМ-19А. Произведен расчет параметров схемы замещения. Используя рассчитанные параметры, было осуществлено моделирование работы системы ПЧ-АДК с векторным управлением в среде Simulink/Matlab. В процессе работы был осуществлен выбор обновленного оборудования для модернизации существующей системы. Так, в качестве двигателя был выбран асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором фирмы Siemens типа 1LE1502-3AC63-4FA4, который запускается при помощи преобразователя частоты серии Sinamics G120 6SL3210-1PE33-0AL0.

Был рассчитан коэффициент дисконтирования, на основе которого определялся чистый дисконтированный доход. С помощью рассчитанных значений был построен график, отражающий срок окупаемости модернизации, который составил 2 года и 7 месяцев. Также было рассчитано сопротивление естественного заземлителя, опираясь на значение которого, было принято решение не использовать искусственные заземлители.

По итогу, на основе проделанной работы можно сделать вывод, что замена асинхронного двигателя обеспечит увеличение энергоэффективности, а также увеличение производительности конвейера. Применение частотного преобразователя с векторным управлением поможет снизить энергопотребление за счет оптимального управления приводом. Также применение ПЧ позволит осуществлять плавный запуск и торможение электродвигателя без пусковых токов и ударов, что позволит снизить вероятность обрыва и схода ленты, регулировать частоту вращения и поддерживать заданную скорость, снизить затраты на техническое обслуживание, повысить надежность и срок эксплуатации привода.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Общее Описание АО «СГОК» [Электронный ресурс]. - URL: https://vuzlit.ru/10436/obschee_opisanie_sgok (дата обращения: 08.12.2020).

2. ТИ 00186826-26/40.01-1038-2018. Технологический регламент дробления неокисленных железистых кварцитов, 2018.

3. Ленточные конвейеры, общие сведения [Электронный ресурс]. - URL: https://studwood.ru/1492366/tovarovedenie/obschie_svedeniya (дата обращения: 08.12.2020).

4. Дмитриева В.В. Современные задачи автоматизации ленточного конвейера // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014. - №3. - С. 65-72.

5. Конвейеры ленточные стационарные общего назначения с резинотканевой лентой в = 400,500,650,800,1000,1200,1400,1600,2000 мм, Каталог [Электронный ресурс]. - URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293809/4293809546.pdf (дата обращения:07.12.2020).

6. Онлайн магазин завода ГОРНЯК, желобчатые роликоопоры [Электронный ресурс]. - URL: http://www.zavodko.ru/catalog/komplektuyushchie-konveiera/rolikoopory/zhelobchatye.html (дата обращения 07.12.2020).

7. Лекция, машины непрерывного транспорта, Натяжные устройства конвейеров [Электронный ресурс]. - URL: https://studizba.com/lectures/129-inzhenerija/1916-mashiny-nepreryvnogo-transporta/37413-10-natjazhnye-ustrojstva-konvejerov.html (дата обращения 07.12.2020).

8. Проектирование приводов [Электронный ресурс]. - URL: https://download.sew-eurodrive.com/download/pdf/10523057.pdf (дата обращения 07.12.2020).

9. Каталог компании SIEMENS, низковольтные электродвигатели SIMOTICS [Электронный ресурс]. - URL: https://www.szemo.ru/files/cat-siemens-8.pdf (дата обращения 06.12.2020).

10. Мощинский Ю.А., Беспалов В.Я., Корякин АА., Определение параметров схемы замещения асинхронной машины по каталожным данным // Электричество. М.: Издательство МЭИ - 1998. - № 4. - с. 38-42.

11. Научные статьи издательства «Проблемы науки» [Электронный ресурс]. - URL: https://scienceproblems.ru/vlijanie-otritsatelnyh-posledstvij-prjamogo-puska/2.html (дата обращения: 13.12.2020).

12. А.Бельский, Обоснование применения устройств плавного пуска и преобразователей частоты, 2009г. - 12 c.

13. Электронный каталог компании Siemens по преобразователям частоты. [Электронный ресурс]. - URL: https://support.industry.siemens.com/cs/document/109755273/catalog-d-31-1%3A-sinamics-inverters-for-single-axis-drives-built-in-units?dti=0&pnid=13222&lc=en-AE (дата обращения 12.12.2020).

14. Электронный справочник номиналов резисторов. [Электронный ресурс]. - URL: https://asenergi.com/pdf/rezistory/ryad_rezistorov_e24.pdf (дата обращения: 12.11.2020).

15. Библиотека электротехнического портала, правила устройства электроустановок [Электронный ресурс]. - URL: https://www.elec.ru/library/direction/pue.html (дата обращения: 20.02.2021).

16. ГОСТ 12.1.030-81. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление. - Переизд. Июнь 2001 с изм. 1. - М.:Стандартинформ, 2001.



ПРИЛОЖ...