Электропривод и автоматика машин и установок горного производства

Москва 2020

М ИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра энергетики и энергоэффективности горной промышленности

В.Н. Фащиленко
Л.А. Плащанский

ЭЛЕКТРОПРИВОД И АВТОМАТИКА 
МАШИН И УСТАНОВОК ГОРНОГО 
ПРОИЗВОДСТВА

Учебник

Допущено Федеральным Учебно-методическим объединением  
в системе высшего образования по УГСН (21.00.00) «Прикладная 
геология, горное дело, нефтегазовое дело и геодезия»  
в качестве учебника при подготовке специалистов, бакалавров 
и магистров

№ 4241

УДК 622:621.313 
 
Ф30

Р е ц е н з е н т 
д-р техн. наук, проф. М.С. Ершов, Российский государственный  
университет нефти и газа им. И.М. Губкина; д-р техн. наук С.В. Павленко, 
заместитель начальника управления диагностики,  
ООО «ТранснефтьЭлектросетьСервис»

Фащиленко В.Н., Плащанский Л.А.
Ф30  
Электропривод и автоматика машин и установок горного 
производства : учебник / В.Н. Фащиленко, Л.А. Плащанский. – М. : Издательский Дом НИТУ «МИСиС», 2020. – 
370 с.
ISBN 978-5-907061-45-3

В учебнике изложены принципы построения систем регулируемого электропривода машин и установок горного производства. Рассмотрены способы оптимального автоматического управления по динамическим и точностным параметрам электроприводов постоянного 
и переменного тока. Приведены методики расчета параметров силовой цепи и автоматических систем управления. Рассмотрены как рабочие характеристики горных машин и установок, определяющих 
свойства электроприводов, так и статические и динамические характеристики систем регулируемых электроприводов.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 
21.05.04 «Горное дело», бакалавров и магистров, обучающихся по 
направлению подготовки 13.03.02 и 13.04.02 «Электроэнергетика и 
электротехника», связанных с горным делом. Может быть полезен 
для специалистов, занятых разработкой, внедрением и эксплуатацией электроприводов горных машин и установок.

УДК 622:621.313

 В.Н. Фащиленко,  
Л.А. Плащанский, 2020
ISBN 978-5-907061-45-3
 НИТУ «МИСиС», 2020

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................................................................................................10
1. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА МАШИН 
И УСТАНОВОК ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА .............................................................................................12
1.1. Общие сведения. Основные требования к электроприводам машин 
и установок горного производства ..............................................................................................................12
1.2. Системы электроприводов постоянного тока, удовлетво ряющие 
основным требованиям .............................................................................................................................................14
1.3. Автоматика и системы управления электроприводов постоянного  
тока машин и установок горного производства ...........................................................................21
1.4. Структурная схема электропривода системы УВ-Д ....................................................24
1.5. Структурная схема электропривода системы УВ-Д с подчиненным 
регулированием координат .................................................................................................................................28
1.6. Структурная схема электропривода системы Г-Д с ТВ ...........................................36
1.6.1. Параметры структурной схемы электропривода системы Г-Д  
с ТВ ............................................................................................................................................................................................36
1.6.2. Параметры внутреннего контура тока системы управления Г-Д 
с ТВ с подчиненным регулированием координат .............................................................40
1.6.3. Параметры внешнего контура напряжения системы управления 
Г-Д с ТВ с подчиненным регулированием координат .................................................44
1.7. Статические характеристики электроприводов постоянного тока 
с подчиненным регулированием координат ..................................................................................48
1.7.1. Электромеханические характеристики электропривода по схеме 
УВ-Д ........................................................................................................................................................................................48
1.7.2. Электромеханические характеристики электропривода по схеме 
Г-Д с ТВ .................................................................................................................................................................................51
2. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И АВТОМАТИКА 
МАШИН И УСТАНОВОК ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА ..................................................................54
2.1. Системы электроприводов переменного тока, удовлетворяющие 
основным требованиям ............................................................................................................................................54
2.2. Системы управления электроприводов переменного тока машин 
и установок горного производства .............................................................................................................62
2.3. Статические характеристики электроприводов переменного  
тока ...................................................................................................................................................................................................65
2.3.1. Механические характеристики электропривода по схеме АВК ........65
2.3.2. Статические характеристики асинхронного частотнорегулируемого электропривода с автономным инвертором  
напряжения при постоянном моменте статической нагрузки ...........................68

Содержание

2.3.3. Статические характеристики асинхронного частотнорегулируемого электропривода с автономным инвертором  
напряжения при вентиляторном характере момента статической 
нагрузки ................................................................................................................................................................................71
2.3.4. Статические характеристики асинхронного частотнорегулируемого электропривода с автономным инвертором тока .................73
2.4. Система управления электропривода по схеме АВК ................................................74
2.4.1. Параметры структурной схемы электропривода системы АВК ........74
2.4.2. Внутренний контур тока системы управления АВК  
с подчиненным регулированием координат ............................................................................77
2.4.3. Параметры внешнего контура скорости системы управления  
АВК с подчиненным регулированием координат ................................................................81
2.5. Система управления частотно-регулируемым электроприводом ...........86
2.5.1. Параметры структурной схемы частотно-регулируемого 
электропривода ........................................................................................................................................................86
2.5.2. Определение параметров контуров тока и скорости системы 
управления частотно-регулируемого электропривода с подчиненным 
регулированием координат ..........................................................................................................................91
3. ЭЛЕКТРОПРИВОД И АВТОМАТИКА ШАХТНЫХ И РУДНИЧНЫХ 
ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК .........................................................................................................................................93
3.1. Режимы работы электроприводов подъемных установок ..................................93
3.1.1. Кинематические схемы .......................................................................................................................93
3.1.2. Диаграммы скорости ............................................................................................................................95
3.1.3. Предварительный выбор электродвигателя ..........................................................98
3.1.4. Расчет и построение нагрузочной диаграммы .....................................................99
3.1.5. Проверка электродвигателя по нагреву и перегрузочной 
способности ................................................................................................................................................................102
3.2. Электропривод системы УВ-Д скиповой подъемной установки .............103
3.2.1. Силовая схема электропривода системы УВ-Д .................................................103
3.2.2. Схема управления электропривода системы УВ-Д 
с двенадцатипульсным тиристорным преобразователем ...................................105
3.2.3. Комплектные тиристорные электроприводы подъемных  
установок постоянного тока типа КТЭШ с шестипульсной схемой 
выпрямления ..............................................................................................................................................................107
3.3. Электропривод системы Г-Д с ТВ клетевой подъемной установки.......110
3.4. Электропривод по схеме АВК клетевой подъемной установки .................112
3.5. Частотно-регулируемый электропривод подъемной установки ..............114
3.5.1. Частотно-регулируемый электропривод с автономным  
инвертором тока клетевой подъемной установки ..........................................................114

Содержание

3.5.2. Частотно-регулируемый электропривод подъемной установки 
УКПЧ на базе преобразователя частоты с непосредственной связью ...117
4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ОДНОКОВШОВЫХ 
ЭКСКАВАТОРОВ .....................................................................................................................................................................120
4.1. Общие сведения об одноковшовых экскаваторах  
и электроприводах главных механизмов ..........................................................................................120
4.1.1. Технические характеристики одноковшовых экскаваторов ...............120
4.1.2. Режимы работы электроприводов главных механизмов 
одноковшовых экскаваторов и требования к электроприводу .....................125
4.1.3. Основное электрооборудование одноковшовых карьерных 
экскаваторов ...............................................................................................................................................................130
4.2. Системы экскаваторных электроприводов главных механизмов ............132
4.3. Определение нагрузок и моментов инерции главных механизмов 
одноковшовых экскаваторов ..........................................................................................................................136
4.3.1. Определение нагрузок подъемного и напорного механизмов 
мехлопаты ......................................................................................................................................................................136
4.3.2. Определение нагрузок тягового и подъемного механизмов 
драглайна .......................................................................................................................................................................142
4.3.3. Определение момента инерции вращающихся частей 
одноковшовых экскаваторов ..................................................................................................................145
4.4. Определение средневзвешенной мощности двигателей главных 
механизмов одноковшовых экскаваторов ......................................................................................148
4.4.1. Средневзвешенная мощность ...............................................................................................148
4.4.2. Определение средневзвешенной мощности двигателей 
подъемного и напорного механизмов мехлопаты ..........................................................149
4.4.3. Определение средневзвешенной мощности двигателей  
тягового и подъемного механизмов драглайна .................................................................153
4.4.4. Определение средневзвешенной мощности двигателя 
поворотного механизма одноковшовых экскаваторов ............................................156
4.5. Выбор двигателей главных механизмов одноковшовых  
экскаваторов ......................................................................................................................................................................156
4.5.1. Кинематические схемы главных механизмов .......................................................156
4.5.2. Расчет тахограммы и нагрузочной диаграммы электроприводов 
главных механизмов одноковшовых экскаваторов .......................................................159
4.6. Особенности расчетов экскаваторных электроприводов ...............................162
4.6.1. Экскаваторный электропривод по схеме Г-Д с ТрВ .....................................162
4.6.2. Выбор параметров форсировки тока в обмотке возбуждения 
генератора экскаваторных электроприводов по схеме Г-Д с ТВ  
или ТрВ ...............................................................................................................................................................................166

Содержание

4.6.3. Настройка контуров тока и напряжения в экскаваторных 
электроприводах по схеме Г-Д ............................................................................................................168
4.6.4. Расчет электромеханических характеристик экскаваторного 
электропривода по схеме Г-Д с ТВ и Г-Д с ТрВ ..................................................................172
4.7. Схемы электроприводов главных механизмов одноковшовых 
экскаваторов .......................................................................................................................................................................173
4.7.1. Электропривод системы Г-Д с ТВ механизма поворота  
и подъема экскаватора-мехлопаты ..................................................................................................173
4.7.2. Электропривод системы Г-Д с ТрВ механизма подъема 
экскаватора-мехлопаты .................................................................................................................................175
4.7.3. Электропривод системы УВ-Д с двенадцатипульсной  
схемой выпрямления механизмов тяги и подъема экскаваторадраглайна ........................................................................................................................................................................176
4.7.4. Электропривод системы УВ-Д с шестипульсной схемой 
выпрямления механизма поворота экскаватора-драглайна ..............................178
5. ЭЛЕКТРОПРИВОД И АВТОМАТИКА КОНВЕЙЕРНЫХ УСТАНОВОК ..................181
5.1. Общие сведения об электроприводах конвейерных установок ................181
5.1.1. Условия работы, режимы и нагрузки конвейерных установок ...........181
5.1.2. Требования к электроприводам и системам управления 
конвейерных установок .................................................................................................................................185
5.1.3. Кинематические схемы приводных блоков и основные типы 
конвейерных установок .................................................................................................................................187
5.2. Системы электропривода конвейерных установок .................................................192
5.2.1. Нерегулируемый электропривод конвейерных установок .................192
5.2.2. Регулируемый электропривод конвейерных установок ........................198
5.3. Нагрузки и моменты инерции электроприводов конвейерных 
установок..............................................................................................................................................................................206
5.4. Структурные схемы электромеханической системы ленточного 
конвейера ...............................................................................................................................................................................212
5.4.1. Математическое описание электромеханической системы 
ленточного конвейера с разомкнутой системой управления ..........................212
5.4.2. Одноконтурная система частотно-регулируемого  
электропривода ленточного конвейера для управления  
грузопотоком ...............................................................................................................................................................217
5.4.3. Двухконтурная система частотно-регулируемого  
электропривода ленточного конвейера для управления  
грузопотоком ..............................................................................................................................................................221
5.4.4. Математическое описание электромеханической системы 
при учете упругих механических свойств конвейерной ленты .....................224

Содержание

5.5. Синтез систем управления при учете упругих механических  
свойств конвейерной ленты ...........................................................................................................................228
5.5.1. Метод нормированных передаточных функций для анализа 
и синтеза систем управления электроприводов ............................................................228
5.5.2. Синтез системы управления с суммирующим усилителем ................232
5.5.3. Синтез системы управления с подчиненным регулированием 
координат двухмассовых электроприводов ........................................................................235
5.6. Принципиальные схемы электропривода и автоматики ленточного 
конвейера ..............................................................................................................................................................................239
5.6.1. Вычислитель электромагнитного момента двигателя ............................239
5.6.2. Вычислитель упругого момента нагрузки .............................................................240
5.6.3. Принципиальная схема автоматизированного электропривода 
ленточного конвейера с одноконтурной системой регулирования 
скорости в функции грузопотока .......................................................................................................241
5.6.4. Принципиальная схема автоматизированного электропривода 
ленточного конвейера с двухконтурной системой регулирования 
скорости в функции грузопотока ......................................................................................................242
5.6.5. Принципиальная схема автоматизированного электропривода 
с суммирующим усилителем для ограничения динамических  
нагрузок в электромеханической системе ленточного конвейера ...........243
5.6.6. Принципиальная схема автоматизированного электропривода 
ленточного конвейера с подчиненным регулированием координат 
для ограничения динамических нагрузок в электромеханической 
системе ленточного конвейера ...........................................................................................................245
5.6.7. Станции управления, преобразователи частоты и системы 
автоматики конвейерных установок..............................................................................................246
6. ЭЛЕКТРОПРИВОД И АВТОМАТИКА ТУРБОМАШИН ГОРНОГО 
ПРОИЗВОДСТВА ...................................................................................................................................................................253
6.1. Режимы работы турбомашин ..............................................................................................................253
6.1.1. Насосные установки ...........................................................................................................................253
6.1.2. Воздуходувные машины ...............................................................................................................257
6.2. Рабочие характеристики турбомашин и трубопроводов  
(воздуховодов) ................................................................................................................................................................259
6.2.1. Общие сведения....................................................................................................................................259
6.2.2. Способы управления режимами работы насосных установок .......262
6.2.3. Способы управления режимами работы вентиляторных  
установок .......................................................................................................................................................................266
6.3. Регулируемый электропривод турбомашин ....................................................................267
6.3.1. Общие сведения ....................................................................................................................................267

Содержание

6.3.2. Регулировочные свойства электроприводов турбомашин ...............269
6.4. Регулируемый электропривод насосных установок ..............................................277
6.4.1. Обоснование выбора регулируемого электропривода  
насосных установок ...........................................................................................................................................277
6.4.2. Рабочие параметры насоса при переменной угловой  
скорости рабочего колеса ........................................................................................................................280
6.5. Регулируемый электропривод вентиляторных установок .............................286
6.5.1. Обоснование выбора регулируемого электропривода 
вентиляторных установок .........................................................................................................................286
6.5.2. Рабочие параметры вентилятора при  переменной угловой 
скорости рабочего колеса .........................................................................................................................292
6.6. Автоматизированный электропривод насосных и вентиляторных 
установок...............................................................................................................................................................................296
6.6.1. Общие положения...............................................................................................................................296
6.6.2. Стабилизация давления (напора) в системе подачи  
жидкости ........................................................................................................................................................................298
6.6.3. Структурная схема насосного агрегата со стабилизацией  
давления в гидросистеме ..........................................................................................................................302
6.6.4. Стабилизация уровня жидкости в резервуарах  
и скважинах ................................................................................................................................................................308
6.6.5. Структурная схема насосного агрегата со стабилизацией  
уровня жидкости в резервуарах и скважинах .....................................................................312
6.7. Структурные схемы вентиляторного агрегата с регулируемым 
электроприводом .........................................................................................................................................................314
6.7.1. Структурная схема вентиляторного агрегата с частотнорегулируемым электроприводом ......................................................................................................314
6.7.2. Структурная схема вентиляторного агрегата  
с электроприводом по схеме асинхронно-вентильного каскада ................316
6.8. Принципиальные схемы автоматизированного электропривода 
насосных и вентиляторных установок ................................................................................................320
6.8.1. Принципиальные схемы двухтрансформаторного 
и высоковольтного частотно-регулируемого электропривода  
в системе автоматической стабилизации давления  
в гидросистеме .......................................................................................................................................................320
6.8.2. Принципиальная схема частотно-регулируемого  
электропривода в системе автоматической стабилизации  
уровня жидкости в резервуарах и скважинах ....................................................................322
6.8.3. Принципиальные схемы регулируемого электропривода 
вентиляторных установок .........................................................................................................................324

Содержание

7. ЭЛЕКТРОПРИВОД И АВТОМАТИКА ПОДЗЕМНЫХ ДОБЫЧНЫХ 
И ПРОХОДЧЕСКИХ ГОРНЫХ МАШИН .......................................................................................................328
7.1. Общие сведения .................................................................................................................................................328
7.1.1. Конструктивные особенности и характер работы подземных 
добычных и проходческих горных машин ...............................................................................328
7.1.2. Условия эксплуатации, нагрузки и режимы работы 
электроприводов добычных и проходческих машин ................................................329
7.1.3. Требования к электроприводам подземных добычных 
и проходческих горных машин ..............................................................................................................331
7.2. Системы управления режимами работы добычных горных машин ........333
7.2.1. Варианты управления режимами работы добычных горных  
машин ..................................................................................................................................................................................333
7.2.2. Адаптивная поисковая система управления  
для экстремальных функций максимального варианта .........................................338
7.3. Электропривод и электрооборудование очистных и проходческих 
комплексов ..........................................................................................................................................................................339
7.3.1. Электропривод и электрооборудование очистных комбайнов ......339
7.3.2. Электропривод и электрооборудование проходческих  
комбайнов .....................................................................................................................................................................346
8. ЭЛЕКТРОПРИВОД И АВТОМАТИКА БУРОВЫХ УСТАНОВОК  
ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА ....................................................................................................................................350
8.1. Общие сведения ................................................................................................................................................350
8.1.1. Назначение и технические характеристики буровых станков .........350
8.1.2. Требования к электроприводу буровых установок ......................................352
8.2. Рабочее электрооборудование станков вращательного бурения ........355
8.2.1. Электрооборудование и автоматика станков вращательного 
бурения .............................................................................................................................................................................355
8.2.2. Технические характеристики электроприводов станков 
вращательного бурения ...............................................................................................................................356
8.3. Структуры электроприводов буровых установок ......................................................361
8.3.1. Структура электропривода механизма вращателя бурового  
станка ..................................................................................................................................................................................361
8.3.2. Структура электропривода механизма подачи бурового  
станка .................................................................................................................................................................................364
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .........................................................................................................................................................................367
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................................................................................369

ВВЕДЕНИЕ

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, состоящую из преобразовательного, электродвигательного, 
передаточного и управляющего устройств. Основное назначение 
электропривода – преобразование электрической энергии постоянного или переменного тока в механическую энергию. Вместе 
с этим зачастую производится обратное преобразование – механической энергии в электрическую в определенных режимах.
В зависимости от 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 различными системами возбуждения. Наибольшее распространение в горной промышленности получили машины постоянного 
тока с независимым возбуждением. Они применяются в электроприводах рудничного подъема, 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 нашли асинхронные электродвигатели с фазным и короткозамкнутым ротором, которые являются 
наиболее простыми, надежными и дешевыми. Немаловажным 
фактором является возможность взрывозащищенного исполнения асинхронной машины, так как горные предприятия могут 
быть опасными из-за наличия пыли, газа и возможности внезапных выбросов. Асинхронные электродвигатели применяются 
для приводов угольных комбайнов, стругов, ленточных и скребковых конвейеров, насосов, вентиляторов, на машинах и установках, используемых в процессах обогащения. Синхронные 
электродвигатели традиционно используются в экскаваторном 
электроприводе как сетевые двигатели в многомашинных агре