Электропривод и электрооборудование буровых станков и агрегатов

1. Общие сведения
2. Рабочие режимы и требования, предъявляемые к электроприводу и электрооборудованию
3. Электропривод и схемы управления электроприводами
4. Питание буровых станков и агрегатов
5. Перспективы развития электропривода и электрооборудования

{spoiler=Подробнее}

Для бурения взрывных скважин на открытых горных разработках применяются станки вращательного (шнековые и шарошечные), ударно-вращательного и. огневого бурения. На некоторых карьерах применяются станки ударно-канатного бурения.

Шнековые станки применяются для бурения скважин в породах крепостью

f<8 по шкале проф. М. М. Протодьяконова и в угле. Наибольшее применение имеют станки БС-110/25, СВБ-2М, осваиваются буровые станки СБР-125 и СБР-160.

Станки вращательного бурения с шарошечными долотами и удалением из скважин буровой мелочи сжатым воздухом применяются для бурения скважин в породах крепостью f = 5 - 15. К этим станкам относятся 2СБШ-200, 2СБШ-200Н, СБШ-250МН, СБШ-320, БАШ-250.

Станки ударно-вращательного бурения (с погружными пневмоударниками) применяются для бурения скважин в породах средней крепости и крепких. В настоящее время применяются станки «Урал-64», 2СБУ-125/160, СБУ-200. Станки ударно-канатного бурения служат для бурения скважин в породах средней крепости и крепких, станки огневого бурения  - в крепких абразивных породах.

Современные буровые станки имеют, как правило, многодвигательный привод. Привод бурового снаряда выполняется на переменном (асинхронный двигатель) или постоянном (система Г – Д) токе. Приводы вспомогательных механизмов (компрессоров, маслонасосов, хода лебедок и др.) выполняются на переменном токе с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором.

Суммарная установленная мощность двигателей буровых станков достигает 500 кВт и более.

Рабочие режимы и требования, предъявляемые к электроприводу и электрооборудованию

Основными рабочими механизмами бурового станка являются механизмы вращения и подачи на забой рабочего органа - колонны штанг с рабочим инструментом (режущей коронкой, шарошечным долотом, погружным пневмоударником и др.). Режим работы и нагрузочные диаграммы механизма вращения рабочего инструмента буровых станков зависят от конструктивных особенностей и характера работы подающего механизма.

На станках вращательного бурения, у которых подача бурового става осуществляется на длину штанги без перехватов, режим работы электродвигателя механизма вращения бурового става продолжительный с переменной по величине нагрузкой. Если подача бурового става осуществляется с частыми перехватами, то режим работы электродвигателя механизма вращения става является повторно-кратковременным, с продолжительностью включения ПВ-60 %. На станках огневого бурения электродвигатели вращателя и лебедки подачи бурового става на забой работают в длительном режиме с постоянной по величине нагрузкой. Электродвигатели других механизмов буровых станков работают либо в длительном режиме с постоянной по величине нагрузкой (электродвигатели компрессоров, насосов, вентиляторов), либо в кратковременном режиме с постоянной или переменной нагрузкой (электродвигатели механизмов хода, наращивания и разборки бурового става, опускания и подъема мачты и др.). Экспериментальные исследования показали, что мощность, потребляемая шнековым станком вращательного бурения, возрастает с увеличением глубины скважины. Мощность, потребляемая станками шарошечного бурения, не зависит от глубины скважины и практически остается постоянной.

Специфические условия работы буровых станков на открытых разработках (значительные колебания температуры, атмосферные осадки, а также большое количество пыли, образующейся в процессе работы) предъявляют определенные требования к электрооборудованию. Применяемое на буровых станках электрооборудование имеет закрытое исполнение, защищенное от попадания внутрь пыли и влаги (электродвигатели серии АО). Для привода вращателя применяются в большинстве случаев вертикальные электродвигатели. Для привода ходового механизма, лебедки подъема вращателя и вспомогательных механизмов применяют горизонтальные электродвигатели. Значительные вибрации и сотрясения, возникающие в процессе работы буровых станков, выдвигают дополнительные требования к механической прочности и высокой конструктивной надежности электрооборудования.

В соответствии с требованиями правил безопасности и технологическими требованиями электрооборудование должно иметь защиту и блокировки для контроля исправности отдельных элементов оборудования и предотвращения нарушений нормального режима работы механизмов станка.

Электропривод и схемы управления электроприводами

Шнековые станки. Наиболее простыми схемами электрооборудования являются схемы шнековых станков вращательного бурения (БС-110/25М, СВБ‑25М и др.). Как правило, на них устанавливают два асинхронных двигателя с к.з. ротором: один для вращения бурового става, другой для механизмов хода и подъема бурового става. Управление электродвигателями бурового станка БС‑110/25М (рис. 1) осуществляется с по мощью реверсивных магнитных пускателей общепромышленного исполнения типа П и трехкнопочных постов. Для защиты двигателей от перегрузок применены тепловые реле РТ, встроенные в каждый реверсивный пускатель, а от токов к.з. – плавкие предохранители.

Аналогично осуществляется управление электродвигателями станка СВБ-2М.

Станки шарошечного бурения. Схемы управления электроприводами станков шарошечного бурения значительно сложнее схем управления электроприводами шнековых станков из-за большого числа двигателей и применения на приводе вращателя системы Г – Д.

Так, например, на станке 2СБШ-200 установлено 10 двигателей общей мощностью 130 кВт; на станке СБШ-250 - 12 двигателей общей мощностью 295 кВт.

Для  примера  рассмотрим  привод  вращателя станка 2СБШ-200 по системе Г – Д с ЭМУ (рис. 2). Привод имеет двигатель Д постоянного тока мощностью 50 кВт. Для питания двигателя вращателя и цепей управления служит трехмашинный преобразовательный агрегат, состоящий из генератора Г с независимым возбуждением, возбудителя В и приводного асинхронного двигателя (на рисунке не показан). Питание обмотки возбуждения генератора ОВГ осуществляется от электромашинного усилителя ЭМУ.

Электрическое регулирование частоты вращения двигателя вращателя при постоянном моменте может осуществляться в пределах 180 – 900 об/мин. Обмотка электромашинного усилителя ЭМУ-3 является задающей и включена на постоянное напряжение через контакты линейного Л и реверсивных В и Н контакторов. В цепи этой обмотки имеется установочное сопротивление С14, ограничивающее ток в обмотке ЭМУ-3 до величины, при которой частота вращения двигателя Д равна 900 об/мин. Обмотка ЭМУ-1 представляет собой обмотку жесткой отрицательной связи по частоте вращения двигателя Д; она включена в диагональ тахометрического моста, плечами которого являются обмотка якоря двигателя, обмотки дополнительных полюсов двигателя и генератора и участки сопротивлений потенциометра С2. Регулирование частоты вращения двигателя вращателя производится с помощью регулятора РСР (сопротивление С17), включенного в цепь обмотки ЭМУ-1. С увеличением сопротивления С17 обратная связь ослабляется и частота вращения двигателя увеличивается. При уменьшении сопротивления происходит обратное. Для повышения устойчивости системы управления приводом применена гибкая обратная связь с использованием обмотки ЭМУ-2, которая включена в диагональ динамического моста. Плечами этого моста являются обмотка возбуждения генератора ОВГ, сопротивление С7 и участки сопротивлений потенциометра С8.

Ограничение пиков тока при пуске и торможении двигателя вращателя осуществляется с помощью вибрационного токового реле РГ, которое имеет ток срабатывания, равный 1,6I_ном, и ток возврата, равный 0,7I_ном. При срабатывании реле (при I_ср =1,6I_ном) контакт реле РГ размыкается и в цепь задающей обмотки ЭМУ-3 вводится сопротивление С6. Это ведет к снижению тока в обмотке ЭМУ-3 и напряжения на генераторе, а следовательно, к снижению тока в главной цепи. При снижении тока в главной цепи двигателя вращателя до 0,7I_ном размыкающий контакт РГ замкнется и зашунтирует сопротивление С6. Напряжение генератора и ток в главной цепи привода при этом вновь возрастут. В схеме привода имеется максимальная токовая защита РМ и защита от обрыва поля двигателя РОП.

Принципиальные схемы приводов механизмов хода, компрессоров, маслонасосов, вентиляторов и других вспомогательных механизмов и установок станка 2СБШ-200 включают магнитные пускатели с максимальной и тепловой защитой аналогично приведенной выше схеме шнековых станков. Для обогрева кабины и подогрева масла в гидросистеме  и системе компрессоров установлены трубчатые нагреватели различных типов.

Питание буровых станков и агрегатов

Питание электроэнергией буровых станков осуществляется от распределительных внутрикарьерных ЛЭП напряжением 6 кВ или от передвижных трансформаторных подстанций напряжением 380 (660) В. Подвод электроэнергии к станкам выполняют с помощью четырехжильных гибких кабелей. Длина гибких кабелей обычно не превышает 100 м.

В качестве примера рассмотрим питание электрооборудования станка СБШ‑320. Питание осуществляется от карьерной трансформаторной подстанции напряжением 380 В двумя гибкими шланговыми кабелями марки КРШК 3х120+1х35. Кабели подключаются к двум кабельным барабанам. С токосъемников барабанов напряжение подается в шкаф управления на вводный автоматический выключатель. При перегонах станка на большие расстояния кабели отключаются от подстанции и наматываются на барабаны. При этом питание двигателей привода хода осуществляется кабелем марки КРПТ 3х25+1х10, подключаемым к распределительному ящику, установленному на раме привода хода.

Для проверки правильности чередования фаз при подключении станка на пульте управления установлен фазоуказатель. Управление технологическими и вспомогательными операциями осуществляется с двух пультов, установленных в кабине машиниста.

Перспективы развития электропривода и электрооборудования

Для обеспечения оптимальных режимов бурения в породах с различными физико-химическими свойствами необходимо регулирование частоты вращения бурового става в широких пределах.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, которые применяются на ряде буровых станков для привода механизма вращения бурового става, не обеспечивают оптимальных режимов бурения.

Применяющаяся на станках БСШ и 2СБШ-200 для привода вращателя система Г – Д позволяет осуществить автоматическое регулирование частоты вращения бурового инструмента в зависимости от крепости буримых пород и обеспечить оптимальные режимы бурения. Однако большие размеры, высокая стоимость и значительные эксплуатационные расходы делают нерациональным применение этой системы для буровых станков. Более совершенной является предложенная для станков ударно – вращательного бурения система электропривода силовой  магнитный  усилитель – двигатель (СМУ – Д).

Привод вращателя бурового става станков СБШ-250МН и СБШ-320 выполнен по системе тиристорный преобразователь – двигатель (ТП – Д) с электромагнитной системой регулирования. Такая система электропривода является наиболее перспективной.

В систему привода вращателя входят: электродвигатель, тахогенератор, задатчик частоты вращения, выпрямительное устройство, тиристорный преобразователь.

Для привода вращателя использован крановый двигатель постоянного тока. Тахогенератор представляет собой генератор постоянного тока, напряжение, на выходе которого меняется в зависимости от частоты вращения его якоря. Задатчик частоты вращения предназначен для ручного регулирования частоты вращения бурового става путем изменения тока управления тиристорного преобразователя. Выпрямительное устройство предназначено для питания напряжением 110 В обмоток возбуждения двигателя и тахогенератора, а также цепей управления на постоянном токе.

Тиристорный преобразователь, структурная схема которого приведена на рис. 3, предназначен для питания напряжением постоянного тока якорной обмотки двигателя. На вход преобразователя подается трехфазное напряжение 380 В переменного тока, на выходе имеем выпрямленное напряжение, регулируемое по величине от нуля до 400 В.

Настройка преобразователя на требуемое значение выпрямленного напряжения производится машинистом подачей соответствующего сигнала F_з от задатчика частоты вращения на блок 1 магнитного усилителя. Сюда же подается сигнал  F_ТГ с тахогенератора ТГ, осуществляющего обратную связь по частоте вращения привода. В блоке 1 эти сигналы суммируются.

Блок магнитного усилителя представляет собой комплектное устройство, состоящее из трансформатора, магнитного усилителя, диодов и регулировочных сопротивлений.

Напряжение с выхода магнитного усилителя поступает на блоки системы управления 2, которые предназначены для формирования управляющих импульсов и подачи их на первичные обмотки импульсных трансформаторов. Все три блока имеют одинаковое устройство и взаимозаменяемы. Блоки импульсных трансформаторов служат для подачи отпирающих импульсов на управляющие электроды тиристоров силового модуля. Каждый тиристор имеет свой источник импульсов.

На блоках 2 в свою очередь производится суммирование сигнала с выхода блока 1 с сигналом смещения F_см и отсечки по току F_т, поступающими непосредственно на блоки системы управления. Результирующий сигнал управления F_уф формирует в блоках 2 отпирающие импульсы и подает их на управляющие электроды тиристоров силового модуля 3, который предназначен для преобразования трехфазного переменного напряжения 380 В в постоянное, регулируемое по величине. Выход силового модуля подключен на якорную обмотку двигателя вращателя  Д.

Узел датчика тока 4, 5 и блок отсечки по току 6 осуществляют обратную связь по току якорной цепи двигателя Д. Узел 4, 5 предназначен для получения напряжения пропорционального току якоря двигателя вращателя. Он состоит из трехфазного проходного магнитного усилителя, выпрямительного моста и сопротивлений нагрузки. Через сердечник магнитного усилителя проходит токоведущая шина, идущая с силового модуля на якорь двигателя. В зависимости от величины тока, проходящего по ней, меняется подмагничивание сердечника, а следовательно, и напряжение на выходе рабочих обмоток усилителя, питающих выпрямительный мост. С выпрямительного моста напряжение, пропорциональное току якоря, подается на блок токовой отсечки. Питание рабочих обмоток магнитного усилителя осуществляется напряжением 220 В.

Блок токовой отсечки 6 предназначен для защиты двигателя и тиристоров от перегрузки. В блок входят: трехфазный выпрямительный мост, сопротивления, стабилитроны, триод и конденсатор.

Если при работе привода якорный ток двигателя не превышает допустимого значения, напряжение, снимаемое с узла датчика тока 4, 5, не в состоянии открыть стабилитроны и транзистор. При повышении тока якоря сверх допустимого сигнал с датчика тока достигает величины, достаточной для отпирания стабилитронов и транзистора. Напряжение на выходе преобразователя падает и привод останавливается.

Трансформатор тока 7 служит для измерения тока на стороне переменного напряжения.

Напряжение на силовой модуль 3 подается через анодные дроссели 8, магнитный пускатель 9 и автомат 10. Анодные дроссели служат для ограничения величины и скорости нарастания тока в силовой цепи преобразователя при коротких замыканиях. Кроме того, они служат для разделения параллельно работающих тиристорных устройств, питающихся от одного трансформатора. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения установлен дроссель 11.

В качестве других перспективных систем электропривод вращателя могут быть: асинхронный двигатель с дросселем насыщения и система частотного регулирования.

Литература

1. «Электрификация подземных горных работ». В.И. Щуцкий, Н.И. Волощенко, Л.А. Плащанский. М.: Недра, 1986. – 364 с.
2. «Электрификация подземных горных работ». Р.М. Лейбов, М.И. Озерной. М.: Недра, 1972. – 464 с.

{/spoilers}