Автоматизированный электропривод машин и установок горного производства. Часть 1. Автоматизированный электропривод механизмов циклического действия

УДК 622:621.313
ББК 33.15
 
Л98

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253 –03, утвержденным Главным государственным санитарным 
врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124 –94). Санитарно-эпидемиологическое 
заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей 
и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.13

Экспертиза проведена Учебно-методическим объединением высших учебных 
заведений Российской Федерации по образованию в области горного дела (письмо 
№ 51-16/341 от 20 мая 2013 г.)

Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. М.С. Ершов (зав. кафедрой «Теоретическая электротехника и электрификация нефтяной и газовой промышленности» Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина);
д-р техн. наук С.В. Павленко (главный специалист отдела Энергетики и 
энергоаудита НИИ «Транснефть»)

•

•

УДК 622:621.313
ББК 33.15

Ляхомский А.В., Фащиленко В.Н.
Л98  
Автоматизированный электропривод машин и установок 
горного производства. Часть 1. Автоматизированный электропривод механизмов циклического действия: Учебное 
пособие. — М.: Издательство «Горная книга», 2014. — 477 с.: 
ил. (ГОРНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА) 
ISBN 978-5-98672-367-9 (в пер.)

Изложены принципы построения систем регулируемого электропривода машин и установок горного производства с циклическим характером 
действия. Приведены методики расчета элементов силовой цепи и систем 
управления. Даны примеры расчетов как рабочих характеристик машин и 
установок, определяющих свойства электроприводов, так и статических 
и динамических характеристик регулируемых электроприводов. Описаны 
методы и средства компьютерного моделирования электроприводов с циклическим характером действия. Даны примеры моделирования в пакете 
«MatLab — Simulink».
А.В. Ляхомский — д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Электрификация 
и энергоэффективность горных предприятий» Московского государственного горного университета; В.Н. Фащиленко — д-р техн. наук, профессор 
этой же кафедры.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки (специальности) «Горное дело» (специализация «Электрификация и автоматизация горного производства»). Может быть полезна специалистам, занятым 
разработкой, внедрением и эксплуатацией электроприводов горных машин 
и установок.

© А.В. Ляхомский, В.Н. Фащиленко, 2014
© Издательство «Горная книга», 2014
© Дизайн книги. 
 
Издательство «Горная книга», 2014

ISBN 978-5-98672-367-9

9 785986 723679

ВВЕДЕНИЕ

Электропривод представляет собой электромеханическую 
систему, состоящую из преобразовательного, электродвигательного, передаточного и управляющего устройств. Основным назначением электропривода является преобразование 
электрической энергии постоянного или переменного тока в 
механическую энергию. Вместе с этим зачастую производится 
в определенных режимах обратное преобразование — механической энергии в электрическую.
В зависимости от используемого рода электрического тока 
в электродвигательном устройстве различают электропривод 
постоянного и переменного тока.
Для электроприводов постоянного тока в качестве электродвигательного устройства используют машины постоянного 
тока с различной системой возбуждения. Наибольшее распространение в горной промышленности получили машины 
постоянного тока с независимым возбуждением. Они применяются в электроприводах рудничного подъема, в экскаваторных 
электроприводах. В меньшей степени применяются машины 
постоянного тока с последовательным возбуждением, в основном в электроприводах локомотивного транспорта на подземных 
и открытых горных работах.
Для электроприводов переменного тока используют асинхронные и синхронные машины. Наиболее массовое применение 
в горной промышленности имеют асинхронные электродвигатели с фазным и короткозамкнутым ротором: они наиболее 
просты, надежны и дешевы. Немаловажным фактором является 
возможность взрывобезопасного исполнения асинхронной машины, так как горные предприятия могут быть опасными по 

пыли, газу и внезапным выбросам. Асинхронные электродвигатели применяются для приводов угольных комбайнов, стругов, 
ленточных и скребковых конвейеров, насосов, вентиляторов, 
на машинах и установках процессов обогащения. Синхронные 
электродвигатели традиционно используются в экскаваторном 
электроприводе как сетевые двигатели в многомашинных агрегатах, на вентиляторных и компрессорных установках. В горной 
промышленности синхронные двигатели в отдельных случаях 
используются в электроприводах рудничных подъемных установок и насосов как с частотным управлением, так и по системе 
«вентильный двигатель».
Эффективность выполнения электроприводом своих функций во многом зависит от системы автоматического управления. 
В этой связи наряду с другими важными проблемами актуален 
вопрос создания и эксплуатации автоматизированных электроприводов горных машин и установок.

Глава 1

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 
ПОСТОЯННОГО ТОКА МАШИН И УСТАНОВОК 
ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ 
К ЭЛЕКТРОПРИВОДАМ МАШИН И УСТАНОВОК 
ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

В технологии горного производства используется ряд горных машин, главные рабочие механизмы которых оснащены 
регулируемым электроприводом. Они выполняют основные 
функции — разрушение и перемещение горной породы.
К ним относятся добычные и буровые машины:
одноковшовые экскаваторы: механические лопаты и драглайны;
роторные экскаваторы вскрышные и добычные;
буровые станки в основном шарошечного типа, для создания взрывных скважин;
угольные комбайны;
струги.
Для транспортировки горной массы используются конвейерные и подъемные установки. Для перемещения жидкой 
и воздушной среды применяются насосные и вентиляторные 
установки.
Оснащение угольных комбайнов и стругов регулируемым 
электроприводом обусловлено определенными трудностями в 
связи с тем, что электрооборудование при этом должно быть 
выполнено в большинстве случаев во взрывобезопасном исполнении.
Транспортировка и перемещение горной массы осуществляются в основном конвейерными установками, рудничными 
вертикальными или наклонными подъемными установками при 
подземной добыче, а также наклонными скиповыми подъем
−

−
−

−
−

ными установками по борту карьера на открытых разработках 
полезных ископаемых.
Транспортировка и перемещение жидкой среды (вода, пульпа 
и т.п.) осуществляются с помощью насосных установок, в том 
числе и грунтовыми насосами.
Транспортировка и перемещение воздушной среды нормального давления производится с помощью вентиляторных 
установок главного и местного проветривания, воздушной 
среды повышенного давления (сжатого воздуха) — с помощью 
компрессорных установок.
Установки для транспортировки жидкой и воздушной среды 
в большинстве случаев оснащены нерегулируемым асинхронным или синхронным электроприводом. В тех случаях, когда 
потребление воды или воздуха изменяется по каким-либо технологическим причинам, возможно применение регулируемого 
электропривода для непрерывного согласования характеристики 
машины с условиями водо- или воздухопотребления. Однако в 
каждом конкретном случае требуется технико-экономическое 
обоснование по использованию регулируемого электропривода, 
так как средства регулирования, в том числе и преобразовательная техника, имеют высокие стоимостные показатели.
Требования к характеристикам надежности, безопасности, 
экономичности, к статическим и динамическим характеристикам электроприводов машин и установок горного производства 
зависят от специфики технологического процесса, особенностей 
конструкции, способа управления машинами и механизмами, 
условий электроснабжения и эксплуатации. К этим требованиям 
можно отнести:
электрическое оборудование машин и установок горного 
производства должно быть надежным, безопасным и экономичным в эксплуатации;
электропривод должен обладать высокими перегрузочными способностями и возможностью большого диапазона 
регулирования скорости;
система управления электроприводом должна ограничивать момент в установившихся режимах и «тяжелых» 
переходных режимах, когда статический и динамический 

−

−

−

моменты в сумме достигают максимально допустимой 
величины;
ограничение ускорения в «легких» переходных процессах, 
когда статический и динамический моменты в сумме не 
достигают максимально допустимой величины (торможение и реверс при согласованном направлении момента 
статического сопротивления и электромагнитного момента 
двигателя);
должно осуществляться ограничение «рывка» (производной момента) в переходных процессах;
электропривод должен обеспечивать минимальное время 
переходных процессов для механизмов с интенсивным 
повторно-кратковременным режимом работы при соответствующих ограничениях на момент, ускорение и рывок;
электропривод должен иметь высокую жесткость механической характеристики;
электропривод должен обеспечивать участие в демпфировании упругих механических колебаний;
электропривод должен сохранять работоспособность при 
глубоких просадках напряжения, характерных для карьерных и шахтных электрических сетей (аварийные режимы 
электропривода при этом недопустимы).
Этим требованиям отвечают электроприводы как переменного, так и постоянного тока, выполненные на базе современной 
силовой преобразовательной техники.

1.2. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 
ПОСТОЯННОГО ТОКА, УДОВЛЕТВОРЯЮЩИЕ 
ОСНОВНЫМ ТРЕБОВАНИЯМ

Наиболее простой системой автоматизированного электропривода является система с релейно-контакторной схемой 
(РКС) для двигателей как постоянного, так и переменного 
тока. Система с РКС применяется для обеспечения автоматического управления пуском подъемных машин, конвейерных 
установок. Управление пуском осуществляется путем введения 
в цепь ротора асинхронного двигателя или якоря двигателя 

−

−

−

−

−

−

постоянного тока активного сопротивления. В процессе пуска 
введенные активные сопротивления шунтируются (выводятся 
из работы) по определенному закону в автоматическом режиме. 
Автоматизировать процесс пуска приводного двигателя, т.е. 
выводить пусковые резисторы с помощью последовательных 
замыканий контактов контакторов, можно в зависимости от 
различных параметров, характеризующих режимы работы машин или установок: времени пуска, момента (тока) двигателя, 
скорости, ускорения движения, пути, а также комбинации этих 
параметров.
Наибольшее распространение нашли схемы автоматизации 
процесса пуска в зависимости от времени; от тока с корректировкой по времени; от времени с корректировкой по току 
и по ускорению. У каждой из этих схем свои достоинства и 
недостатки. Однако в целом они имеют существенный недостаток — большие потери энергии в процессе пуска, связанные с 
рассеянием тепла при протекании тока по резисторам. Кроме 
того, ступенчатое изменение пускового момента, присущее РКС, 
вызывает значительные динамические нагрузки в кинематических цепях машин и установок, что ускоряет износ канатов, 
ленты, редукторов и других механических элементов.
Ступенчатый характер изменения пускового момента может 
быть устранен посредством использования жидкостного резистора, нашедшего широкое применение в зарубежной практике. 
Это достигается тем, что жидкостный резистор, плавно изменяя 
свое сопротивление, обеспечивает плавный разгон приводных 
электродвигателей. При этом уменьшаются пусковые токи, 
требуются меньшие рабочие площади для устройства электроприводов, мощность управления незначительна.
При управлении электродвигателем с использованием 
жидкостного резистора в период пуска для поддержания постоянства момента и ускорения двигателя необходимо плавно 
перемещать его электроды. Перемещение электродов при приводах небольшой мощности можно производить вручную, что 
и предусмотрено, например, в пульте управления подземными 
подъемными лебедками и машинами. В установках с более мощными приводами управление перемещением электродов жидкост

ного резистора осуществляется дистанционно и автоматически. 
В этом случае используется следящий электропривод, который 
должен удовлетворять следующим требованиям: достаточное 
быстродействие, приемлемое число промежуточных положений 
электродов, удержание электродов в любом положении при 
отсутствии сигнала рассогласования, простота, надежность, 
экономичность и удобство в эксплуатации. В качестве следящего 
привода жидкостного реостата может быть использована одна из 
систем: электрогидравлическая, электропневматическая, электромеханическая с двигателем постоянного или переменного 
тока с контактным или бесконтактным управлением.
Системе с жидкостным резистором присущи те же недостатки, что и системе с РКС. Основной недостаток связан с большими потерями энергии при пуске. Обе системы не обеспечивают 
в полной мере требования, предъявляемые к электроприводам 
машин и установок горного производства. Поэтому в последнее время реализуется тенденция к широкому использованию 
в электроприводах машин и установок горного производства 
более сложных систем с современной полупроводниковой силовой преобразовательной техникой: «генератор–двигатель с 
тиристорным (Г–Д с ТВ) или транзисторным (Г–Д с ТрВ) возбуждением», «управляемый выпрямитель–двигатель» (УВ–Д), 
«асинхронный вентильный каскад» (АВК), «преобразователь 
частоты–двигатель» (ПЧ–Д).
В настоящее время для машин и установок горного производства большой производительности известны две разновидности 
регулируемого электропривода постоянного тока: Г–Д и УВ–Д. 
Достоинства регулируемых электроприводов постоянного тока 
общеизвестны: малые значения пусковых и тормозных потерь 
электроэнергии; высокие и экономичные регулировочные свойства; поддержание скорости на заданном уровне, независимо от 
нагрузки на валу электродвигателя; безынерционный переход от 
двигательного к генераторному режиму и наоборот; невысокая 
требовательность аппаратуры управления к уходу.
Электропривод системы Г–Д имеет ряд недостатков: низкий 
КПД вследствие трехкратного (в сетевом двигателе, в генераторе, в приводном электродвигателе) преобразования энергии; 

высокая первоначальная стоимость, обусловленная высокой 
стоимостью электромашинного преобразователя; большие масса 
и габариты преобразовательного агрегата; низкая надежность 
из-за наличия коллекторных машин. Система Г–Д применяется 
в рудничных подъемных установках со скоростью более 10 м/с, 
мощность которых превышает 1000 кВт, в экскаваторных электроприводах с частыми пусками, торможением и генераторным 
режимами работы.
Более совершенной является система УВ–Д. К ее достоинствам по сравнению с системой Г–Д можно отнести: высокое 
быстродействие; высокие регулировочные свойства; незначительные эксплуатационные затраты; высокий КПД; более 
длительный срок службы, простое и оперативное осуществление резервирования и взаимозаменяемость блоков, узлов, 
устройств; меньшая полезная площадь для преобразователя и 
меньшая мощность управления. К недостаткам системы УВ–Д 
следует отнести: низкий коэффициент мощности при глубоком 
регулировании скорости из-за коммутации вентилей; влияние 
на питающую сеть в виде гармоник высокого порядка; наличие 
зоны прерывистых токов; низкая перегрузочная способность и 
чувствительность к перенапряжениям.
Регулирование скорости электропривода с двигателем 
постоянного тока независимого возбуждения по схеме Г–Д 
ведется за счет изменения напряжения на якоре генератора. 
В свою очередь, регулирование напряжения на якоре генератора производится за счет изменения тока в обмотке возбуждения генератора. Для этой цели служит возбудитель генератора, в качестве которого используются: силовые магнитные 
усилители (СМУ) или СМУ с промежуточными магнитными 
усилителями (СМУ с ПМУ); тиристорные (ТВ) и транзисторные (ТрВ) возбудители. СМУ и СМУ с ПМУ имеют большую 
электромагнитную инерционность, поэтому в настоящее время 
наибольшее распространение получили тиристорные и транзисторные возбудители из-за высокого быстродействия, большей 
стабильности параметров, высокой надежности и практически 
неограниченного срока службы, так как отсутствуют вращающиеся и контактные элементы.

Принципиальная электрическая схема силовых цепей реверсивного электропривода по схеме «генератор — двигатель с 
тиристорным возбуждением» приведена на рис. 1.1.
Преобразование энергии в силовом канале электропривода по 
схеме Г–Д производится электромашинным преобразователем. 
Сетевой синхронный или асинхронный двигатель М вращает 
генератор постоянного тока G. Суммарный КПД электромашинного преобразователя определяется как произведение КПД 
сетевого двигателя и генератора. Величина его около 0,85–0,9. 
Другой особенностью является инерционность магнитной системы генератора, постоянная времени по цепи возбуждения LG 
составляет 1–5 секунд. Форсирование напряжения на выходе 
возбудителя генератора позволяет снизить время переходных 
процессов по напряжению генератора в 3–5 раз.
При реализации электропривода машин и установок горного 
производства по системе УВ–Д (см. рис. 1.2) управление при
Рис. 1.1. Принципиальная электрическая схема электропривода системы 
Г–Д с ТВ