СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ШАХТНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ
CONTROL SYSTEM FOR SHAFT POWER PLANT

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для управления режимом работы шахтной главной вентиляторной установки подземного горнодобывающего предприятия с одновременной выработкой электроэнергии.
Известна система управления режимом работы шахтной главной вентиляторной установки (Седунин A.M., Николаев А.В., Седнев Д.Ю. Электропривод главной вентиляторной установки нефтешахты, регулируемый с учетом действия общешахтной естественной тяги. Горное оборудование и электромеханика, №11, 2012, стр. 2-7), включающая главную вентиляторную установку (ГВУ), вентиляционный канал, регулируемый электропривод, микроконтроллерный блок, датчики измерения статического давления и расхода воздуха, осевые направляющие аппараты (ОНА). В данной системе производится регулирование производительности ГВУ за счет совместного регулирования скорости вращения рабочего колеса вентилятора электроприводом на базе асинхронно-вентильного каскада (АВК) и положения ОНА.
Однако известная система обладает следующими существенными недостатками.
1. Применение электропривода на базе АВК возможно только при использовании асинхронного двигателя, который обладает низким коэффициентом мощности.
2. Переход с одной аэродинамической характеристики ГВУ на другую осуществляется при помощи изменения положения ОНА. При этом для увеличения производительности вентилятора необходимо уменьшать выходное сечение ГВУ, в результате чего увеличивается общее аэродинамическое сопротивление вентиляционной сети, а следовательно, и общие затраты электроэнергии.
3. В процессе регулирования производительности ГВУ не появляется возможность вырабатывать электроэнергию, что ограничивает функциональные возможности системы.
Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности является шахтная энергическая установка для непрерывной выработки электроэнергии (RU 149991 U1, опубл. 27.01.2015), в которой используется энергия движения воздуха в диффузоре шахтной ГВУ. Установка содержит обтекатель, аэродинамические лопасти, жестко закрепленные на ведущем валу, выполненном с возможностью передачи крутящего момента в узле силовой передачи крутящего момента через колесо ведущего вала на ведомый вал, связанный с электрогенератором.
Однако лопасти на ведущем валу, расположенные в диффузорном канале, создают дополнительное аэродинамическое сопротивление, для преодоления которого необходимо расходовать дополнительную электроэнергию, по величине превышающую электроэнергию, выработанную электрогенератором.
Невозможность менять аэродинамические характеристики ГВУ снижают производительность установки и увеличивают энергозатраты на ее работу, т.к. известная установка не обеспечивает возможности регулирования режимов работы ГВУ и силовой передачи.
Кроме того, электрогенератор на выходе дает напряжение низкого качества из-за изменения амплитуд напряжения в результате изменения скоростей потока воздуха в диффузоре, т.е. вырабатываемая электроэнергия будет иметь низкое качество.
Технический результат заключается в повышении производительности шахтной энергетической установки путем регулирования режимов работы ГВУ и одновременным улучшением качества вырабатываемой электроэнергии.
Сущность изобретения заключается в том, что в системе управления шахтной энергетической установкой, включающей блок управления главной вентиляторной установки (ГВУ), электропривод ГВУ, узел силовой передачи, электрогенератор и узел передачи, накопления и/или преобразования электроэнергии, согласно изобретению в вентиляционном канале шахты перед ГВУ установлен датчик давления воздуха, а в диффузорном канале - датчики давления и расхода воздуха, электропривод ГВУ выполнен регулируемым. Блок управления связан с указанными датчиками, регулируемым электроприводом ГВУ и механизмом управления ведущим валом узла силовой передачи. Блок управления выполнен с возможностью изменения крутящего момента на ведущем валу и изменения режима работы ГВУ в зависимости от показаний датчиков давления и расхода воздуха.
Согласно п. 2 формулы электропривод выполнен частотно-регулируемым, а узел силовой передачи - в виде трансмиссии или фрикционного вариатора.
Производительность установки повышается за счет возможности изменения режимов работы ГВУ, что осуществляется путем анализа данных, поступающих с датчиков давления и расхода воздуха, а также подачи управляющих сигналов, осуществляемой блоком управления, на регулируемый электропривод ГВУ и механизм управления ведущим валом установки.
Высокое качество производимой установкой электроэнергии постоянной величины обеспечено плавным изменением производительности ГВУ в процессе работы и постоянной скоростью вращения ведомого вала.
Выполнение электропривода частотно-регулируемым позволяет увеличивать глубину регулировки ГВУ по давлению и расходу воздуха путем анализа данных датчиков давления и расхода воздуха и подачи управляющего сигнала, осуществляемого блоком управления на регулируемый электропривод ГВУ и механизм управления ведущим валом установки. Выполнение силовой передачи в виде трансмиссии или фрикционного вариатора позволяет изменять крутящий момент на ведущем валу силовой передачи.
Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.
На фиг. 1 показана структурная схема шахтной энергетической установки, где:
1 - шахтный воздух;
2 - вентиляционный канал;
3 - главная вентиляторная установка (ГВУ);
4 - диффузорный канал;
5 - лопасти;
6 - ведущий вал;
7 - узел силовой передачи (трансмиссия или фрикционный вариатор);
8 - ведомый вал;
9 - электрогенератор;
10 - электропроводка;
11 - узел передачи, накопления и/или преобразования электроэнергии;
12 - датчик расхода воздуха в диффузорном канале 4;
13 - датчики расхода воздуха в вентиляционном канале 2;
14 - датчик давления в диффузорном канале 4;
15 - регулируемый электропривод ГВУ 3;
16 - механизм управления ведущим валом 6;
17 - блок управления с микроконтроллером.
В
В
с
На фиг. 2 представлены график зависимости производительности Q ГВУ от статического давления h (кривая вентиляционной сети R), а также кривые 18 основных рабочих аэродинамических характеристик ГВУ 3 и кривые 19 дополнительных рабочих аэродинамических характеристик ГВУ 3.
Фиг. 3 представляет собой блок-схему заявляемой системы управления шахтной энергетической установкой.
Заявляемая система управления шахтной энергетической установкой работает следующим образом.
Шахтный воздух 1 по вентиляционному каналу 2 за счет работы ГВУ 3 поступает из шахты (не показана), далее - в диффузорный канал 4 и на лопатки 5, жестко закрепленные на ведущем валу 6 энергетической установки. Крутящий момент от ведущего вала 6 передается с помощью узла силовой передачи 7 (трансмиссии или фрикционного вариатора) через ведомый вал 8 - на электрогенератор 9. Выработанный в процессе работы электрогенератора 9 электрический ток по электропроводке 10 поступает на узел передачи, накопления и/или преобразования электроэнергии 11.
В
В
В4
В
В4
Во время работы шахтной энергетической установки показания с датчиков 12, 13, 14 поступают на микроконтроллер (не показан) блока управления 17, который обрабатывает сигналы с указанных датчиков и контролирует производительность ГВУ 3 и скорость вращения ведущего вала 6 с целью повышения производительности установки. Это достигается за счет того, что блок управления 17 выбирает режим работы узла силовой передачи 7. Если необходимо увеличить производительность ГВУ 3, то блок управления 6 передает сигнал на механизм управления 16 ведущим валом 6 для получения более высокого крутящего момента на валу 6. В этом случае ГВУ 3 для преодоления аэродинамического сопротивления лопастей 5 потребуется развивать более высокое статическое давление h (фиг. 2), а это приведет к тому, что режим работы ГВУ 3 переместится в область больших давлений, т.е. в область основных рабочих аэродинамических характеристик (сплошные кривые 18 на фиг. 2), и производительность Q увеличится. Блок управления 17 будет увеличивать крутящий момент на ведущем валу 6 и создавать статическое давление, например, h до тех пор, пока производительность Q ГВУ 3 не достигнет необходимого значения, например, Q.
В
В1
В случае необходимости снижения Q ГВУ 3 до величины, например, Q действия будут осуществляться в обратном порядке.
B
B
Вi
В
Вi
При регулировании производительности Q ГВУ 3 только за счет изменения статического давления h между кривыми основных рабочих аэродинамических характеристик 18 и, следовательно, соседними Q будет наблюдаться большой перепад значений. Для увеличения количества рабочих характеристик 18, т.е. глубины регулировки, в заявляемой системе применяется регулируемый, например, частотно-регулируемый электропривод 15, изменяющий скорость вращения рабочего колеса (не показано) ГВУ 3, в результате чего появляются дополнительные рабочие аэродинамические характеристики 19. В этом случае изменение производительности Q ГВУ 3 будет осуществляться более плавно и с меньшей разностью между соседними значениями Q.
В результате того, что изменяется только скорость ведущего вала 6, ведомый вал 8 будет иметь практически постоянную скорость вращения. В этом случае скорость вращения ротора электрогенератора 9 также будет практически постоянной, что обеспечит выработку электроэнергии постоянной величины, т.е. повысит ее качество.
Выработанная электроэнергия передается по электропроводке 10 в устройство 11, где она либо накапливается в аккумуляторе, либо используется для собственных нужд, либо преобразуется.