автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Управление обеспечением электроэнергией рабочих машин угольных шахт

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

РГЗ 0;<

На правах рукописи

МАСЛОВСКАЯ Татьяна Николаевна

УДК 622:621.31.019.3

УПРАВЛЕНИЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ РАБОЧИХ МАШИН УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Специальность 05.09.03 - „Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование*

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ЕКАТЕРИНБУРГ 1993

Работа выполнена в Карагандинском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте

Научный консультант докт.техн.наук, проф. ШПИГАНОВИЧ А.Н.

Официальные оппоненты:

докт.техн.наук, проф. КУРЕХИН В.В. докт.техн.наук, проф. ПУГАЧЁВ Е.В. докт.техн.наук, проф. САРАПУЛОВ Ф.Н»

Ведущее предприятие - производственное объединение по добыче

угля п/о "Караганда} .■'оль"

Защита диссертации состоится -/У " щцим 1993г.

/Л 2» У 1 '

в "/ ^ час, на заседании специализированного совета

Д 063.03.01 в Уральской государственной горно-геологической

академии по адресу:-620219, ГСП, г.Екатеринбург, Л-219, ул.

Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной горной-геологической академии.

Автореферат разослан " И " М^О- во/Ц' 1993 г.

Ученый секретер специализированного совета

/" -—-""канд.техн.наук, доц. ПРОКОФЬЕВ Е.В.

ВВЕ'ДЕНИЕ

Потребность народного хозяйства в полезных ископаемых определила необходимость дальнейшей интенсификации их добычи на базе применения более мощных и функционально разнообразных комплексов горного оборудования. Энергонасыщенность машин и оборудования угольных машин постоянно возрастает. С увеличением масштабов систем электроснабжения нелинейно возрастает их сложность как объектов проектирования и эксплуатации, повышается значимость недоиспользования потенциальных возможностей систем. В этих условиях обеспечение электрической энергией рабочих машин требует учета сложности, выраженной в разветвленной топологии и росте динамики ее изменения в процессе отработки месторождения; увеличения но -менклатуры и количества элементов системы электроснабжения и рабочих машин, а следовательда, и связей между ними; необходимости отображения комплекса случайных и детерминированных факторов,оп-ределяю;цих стохастическое функционирование как элементов, так и системы электроснабжения и шахты в целом.

Вопросам оценки эффективности функционирования систем подземного электроснабжения,влиянию отказов электрооборудования на работу горных машин уделяется большое внимание. Снижение уровня и культуры обслуживания приводит к перерывам в электроснабжении выемочно-транспортных малин угольных шахт, которые" наносят гро -мацный материальный ущерб предприятию, вызывая неравномерность грузопотоков,повышая износ оборудования, обуславливая возможность возникновения ситуаций опасных для жизни обслуживающего персонала. В связи с этим проблема повышения эффективности обеспечения электроэнергией рабочих машин угольных шахт за счет создания системы управления процессом функционирования подземного электро -

снабжения с рациональными параметрами имеет важное народнохозяйственное значение, особенно в настоящее время в период дестаби -лизации промышленности страны.

Созданию теоретических основ рационального и безопасного применения электроэнергии на горных предприятиях посвящены работы докторов технических наук, профессоров Абрамовича Б.Н., Багаути-нова Г.А., Белых Б.П., Волотковского С.А., Ковалева П.Ф., Куре -хина В.В., Макарова М.И.,Миновского Ю.П., Муравьева В.П., Пивня-ка Г.Г., Пугачева Е.В., Разгильдеева Г.И., Сарапулова Ф.Н., Се -рова В.И., Соболева Б.Г., Цапенко Н.Ф., Хронусова Г.С., Шпигано-вича А.Н., Щуцкого В.И., Ягудаева Б.М. и многих других ученых , руководимых ими научных школ и групп.

Выполненные исследования создали хорошую базу для дальнейшего решения проблемы управления эффективностью функционирования систем подземного электроснабжения угольных шахт в процессе эксплуатации. Однако в существующих разработках превалирует качественная оценка эффективности их функционирования, отсутствуют модели расчета и построения системы управления электрообеспечением рабочих машин, не предложен комплекс мероприятий по повышению эффективности обеспечения электрической энергией рабо /лх машин шахт; Это и определило необходимость выполнения данной работы.

Связь темы диссертации с государственными научными программами. Работа выполнена в Карагандинском политехническом институте. Ос -новные ее положения использованы в научно-исследовательских работах по оценке показателей надежности электрооборудования,электрических нагрузок, эффективности функционирования систем электроснабжения, выполненных в-соответствии с планом отраслевой темы 0116 Минуглепрома СССР, с целевой комплексной программой Ц-12 на период 1981-1985гг. по проблеме 0.05.02, с отраслевой.программой

013710 Минуглепрома СССР на период 1986-1990гг, приоритетное направление 18 "Разработка принципов построения и освоение электрооборудования нового уровня, повышение безопасности и эффекв -тивности электроснабжения с целью обеспечения высокопроизводительной работы технологического оборудования и экономичного расходования электроэнергии на шахтах и разрезах", а также тем МЦМ СССР (шифр 0288.0054522,0290.0007309, 0291.0032708).

Цель'ю работа является создание научных основ и методов анализа и синтеза системы управления обеспечением электрической энергией рабочих машин, направленных на повышение уровня обоснован -ности ее структуры и параметров, позволяющих реализовать рацио -нальные энергетические показатели при проектировании и эксплуа -тации подземного электроснабжения угольных шахт.

Идея работы заключается в установлении закономерностей совместного функционирования электрооборудования и изменения напряжения сети на основе структурно-функционального моделирования комплекса потенциальных Э-преобразований грузопотока, идентифицирующий элементы системы электроснабжения и структуру ее управления, для повышения эффективности и безаварийности эксплуатации электротехнических комплексов и систем угольных шахт.

Методы исследований. Система управления обеспечением электрической энергией рабочих машин впервые представляется как сложный логико-динамический объект. Аналитические методы на базе теории случайных импульсных потоков, вероятностей, надежности и сложных систем применялись при формализации процесса функционирования системы, обосновании и выборе функциональных элементов Э-преобразований, получении их локальных динамических моделей, формировании вариантов структур, моделировании совместного функционирования элементов выбранных структур.

Экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях с применением методов математической статистики и моде -лирования на ЭВМ использовались для подтверждения метода анализа и синтеза структур!, управления электрообеспечением рабочих машин. Обработка результатов' моделирования, экспериментальных исследований и оценка эффективности разработанных структур управления осуществлены методами статического и технико-экономического анализа.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

Анализ управления обеспечением электроэнергией рабочих машин осуществляется расчленением системы электроснабжения на функцио -нальные элементы с учетом их взаимосвязей^ на базе исходных мате -матических моделей в виде случайных импульсных потоков, воспроизводящих електротехнологические преобразования (Э-преобразования) грузопотока и обеспечивающих целостность структуры и функции системы.

Формирование модели системы управления обеспечением электрической энергией рабочих машин характеризуется уровнем организации труда и культурой обслуживания, безотказностью электрооборудова -ния, показателями качества напряжения, наличием избыточности во времени и структуре, и должно производиться с учетом взаимосвязей между функциональными элементами системы, по параметрам грузопо -тока.

Универсальность модели управления электрообеспечением системы рабочих машин, динамически развивающейся по .мере продвижения фронта работ, достигается обоснованным сочетанием модулей Э-преобра-зований, адекватно отображающих изменение параметров грузопотока от воздействия колебаний напряжения электрической сети.безотказ -ности электрооборудования и его взаимосвязей между собой и технологическими машинами.

Эффективность системы управления обеспечением электроэнергией рабочих машин определяется набором модулей Э-преобразований и устанавливается по изг-°ненип параметров грузопотока, отображай -чему степень независимости функционирования выемочно-транспорт -ного оборудования от нарушений в его электроснабжении.

Синтез рациональной структуры системы управления электрообеспечением рабочих машин действующих и проектируемых угольных шахт производится на базе показателей функционирования ее различных модификаций, полученных путем использования конечного во времени и по структуре комплекса мероприятий, обоснованного экономико-математическим моделированием.

Научная_новизна_£абота заключается в разработке методологического подхода и теоретических основ анализа и элементов синтеза системы управления обеспечением электричесйбй энергией работы ма-пин путем адекватного представления каждого элемента в виде функционального Э-преобразования грузопотока в пределах структурно -функциональной модели электроснабжения как составной части единой иахтной системы, реализуемого на базе трансформации^по амплитуд -но-временным параметрам случайных импульсных потоков, что является новым достижением в решении крупной народнохозяйственной проблемны в области повышения эффективности функционирования горных предприятий.

Й21Ы§_Ц§ХНЗЫ§Л2§2У2Ьтата_заклгачаются__в:

- оценке, состояния, установлении закономерностей формирования я изменения характеристик системы управления электрообеспечением эабочих машин с учетом взаимодействия с технологическим оборуцо -ванием шахтной системы и выявлении путей ее совершенствования;

- разработке методологии системного анализа и элементов синтеза управления системами подземного электроснабжения для целей их

б

проектирования, прогнозирования и корректирования в периоц эксп -луатации, основанных на преобразованиях по амплитудно-временным параметрам случайных импульсных потоков;

- установлении характеристик взаимосвязей между электрообору -дованием и технологическими машинами для определения комплекса мероприятий по повышению эффективности функционирования системы электроснабжения;

- разработке метода оценки эффективности функционирования оборудования, базирующейся на сопоставлении законов распределения времени его восстановления, и алгоритма достижения нормируемой безотказности систем подземного электроснабжения;

- определении условий рационального управления работой систем за счет организационных и технических мероприятий, направленных на увеличение продолжительности безотказной работы электрообору -довакия и стабилизации напряжения сети;

- разработке метода определения значения напряжения, обуславливающего ускорение старения изоляции обмоток, а также связи превышения температуры обмотки статора электродвигателя, напряжения и нагрузки;

- разработке модели процесса управления обеспечением электро -энергией рабочих машин с рациональными параметрами структуры и функции на основе технико-экономических моделей Э-преобраяования, адаптированных к конкретным целям и задачам производства.

0боск2ванность_и_достоверность_н рекомендаций подтверждаются: представительностью статистического материала о безотказности и электрических нагрузках электрооборудования и систем подземного электроснабжения, полученных в резу • льтате многолетних наблюдений в процессе эксплуатации на угольнъп шахтах Карагандинского бассейна и обработанных с помощью методов

ероятности и математической статистики (доверительная вероятность е ниже 0,8); соответствием математических моделей Э-гтреобразова-ия грузопотока и системы управления процессом обеспечения элект-ической энергией машин реальным условиям эксплуатации; успешной ромышленной апробацией метода управления электрообеспечением ра-очих машин угольных шахт с рациональными параметра'.",!; удовлетво-ительной сходимостью результатов моделирования системы управле -ия и экспериментальных данных, полученных в условиях производст-а (расхождение не превышает 15%).

заключается в:

- разработке комплексной программы управления электрообеспече-ием рабочих машин угольных шахт, основанной на создании системы одземного электроснабжения, функционирующей с рациональными пара-етрами безотказности и электрических нагрузок электрооборудова -ня;

- количественной оценке уровней безотказности и электрических агрузок электрооборудования, защитных устройств, обеспечивающих правление эффективностью функционирования систем электроснабже -ия;

- методики выполнения сравнительной оценки уровня организации эуда и культуры обслуживания системы электроснабжения различных ехнолсгических звеньев и тахт в целом;

- выработке метода прогнозирования степени выполнения плановых ■аданий по фактору электроснабжения;

~ разработке рекомендаций и отдельных устройств, направленных а повышение безотказности рудничного электрооборудования и систем эдземного электроснабжения, которые защищены авторскими свидете-ьствами.

Реализация работы. Основные результаты работы по комплексной

программе управления электрообеспечением рабочих машин угольных шахт положены в основу утвержденных отраслевых методик: дополне нии к РТМ 12.25.001-77 "Планирование технического обслуживания электрооборудования комплексно-механизированных угольных лав дл шахт Карагандинского бассейна" и РТМ 12.25.005-80 "Шахтные систе мы электроснабжения. Расчет экономической эффективности повышени надежности электроснабжения очистных забоев,транспортных и техно логических звеньев. Методика". Они использованы Ворошиловградски энергозавоцом, Институтом горного цела им.А.А.Скочинского для оценки уровня качества основного взрывобезопасного электрообору дования и разработок рекомендаций по повышению уровня качества, унификации, создания новых видов шахтного электрооборудования и кабелей, а также в институте ДжезказганНИПИцветмет для ускоренно го определения количественных характеристик надежности машин. Те оретическая часть работы использована в учебном процессе при поп готовке студентов горно-электротехнических специальностей.

Применение результатов работы при проектировании и эксплуата ции позволило повысить эффективность функционирования систем ряп шахт Карагандинского бассейна и обеспечить годовой экономически? эффект в размере 413 тыс.рублей на 1990г.

В настоящее время осуществляется внедрение устройств тепловоР защиты электродвигателей на 'предприятиях Жезказганского горноме таллургического комбината им.К.И.Сатпаева, что обесг.очит повыше ние безотказности работы на 20...30^j.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертаци онной работы докладывались на ежегодных научно-технических конфе ренциях Карагандинского политехнического института (1978--1992гг) на регионгшьной 1-й научно-технической конференции "Пути создаш1 и совершенствования оборудования подземного шахтного транспорта'

(г.Караганда,Гипроуглегормат, 1931г.), научно-технической конференции "Повышение надежности и экономичности взрывозащищенного электрооборудования" (г.Кемерово, НИИ ПО "Кузбассэлектромотор", 1982,1984,1988г.г.), Республиканской межотраслевой научно-технической конференции "Автоматизация производственных процессов в отраслях тяжелой промышленности Казахстана" (г.Караганда,Акаде -мия наук Каз.ССР,1986г.), Республиканской конференции "Пути по -вшения надежности и безопасности электрооборудования и электроснабжения угольных шахт" (г.Донецк, Минуглепром УССР, 1987г.), {раевой научно-технической конференции "Ученые и специалисты -- программам освоения Сибири и Севера" (г.Красноярск,1988г.), Зсесогазном научно-практическом совещании "Теоретические и техно-тогические аспекты создания и применения силовых импульсных систем (г.Караганда, 1990г.), I Международном симпозиуме "Автомати-геское управление энергообъектами ограниченной мощности" (г.Ле -шнграц, 1991г.), Всесоюзном научно-техническом совещании "Сое -•ояние и проблемы развития систем автономного электроснабжения" г.Суздаль, 1991г.).

Публикации. Основные положения и результаты исследований от -•ажены в 29 научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,пя-и глав, заключения и приложения. Содержит 243 страницы машнно-о текста, 62 рисунка на 62 страницах, 20 таблиц на II страницах, писок использованной литературы из 255 наименования на 26 стра-ицах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Эффективность обеспечения электроэнергией рабочих машин зависит от рационального объединения технических, технологических,

организационных и стоимостных факторов и соответствия параметров системы условиям эксплуатации и цели функционирования. Реализа -ция основной функции эффективного обеспечения электрической энергией производственного процесса осуществляется через последовательно-параллельное технологическое вз лмодействие забойной техники с горным массивом, а транспортных машин - грузопотоком полезного ископаемого. Многоэтапность производственного процесса обуславливается применением широкого комплекса электрического оборудования в рамках единой технологической системы для получения и транспортирования полезного ископаемого при условии нормируемых парамет ~ ров работы подготовительных участков, вентиляционных, водоотлив -ных установок и т.д. Грузопоток полезного ископаемого в данном случае является объединяющим элементом, позволяющим взаимоувязать работу выемочно-транспортных машин с функционированием системы поцземного электроснабжения шахты.

Особенностью функционирования системы подземного электроснаб -жения является стохастический характер работы ее элементов, обусловленный широким комплексом случайных факторов, находящихся в многообразном взаимосочетании, результатом наличия разветвленной структуры системы машин, передвижного характера работы и тяжелых режимов эксплуатации. Учет данного комплекса случгЧных факторов на современном уровне интенсификации и концентрации горного про -изводстйа становится первоочередным при разработке методов анализа и сиьтг^а системы подземного электроснабжения. В силу особен -

I

ностей процесса.добычи полезного ископаемого сисчема подземного 'электроснабжения представляется сложным объектом, состоящим из качественно и количественно разнородных звеньев и элементов. Это явилось причиной постановки и решения многочисленных задач, наличия методов и моделей, обеспечивающих рациональное функционирова-

ние того или иного звена системы. Однако за счет рационального функционирования отдельных звеньев системы электроснабжения незоз -можно достичь рационального обеспечения электроэнергией техноло -гического процесса по добыче полезного ископаемого. Объясняется это тем,что при построении моделей функционирования отсутствовал системный подход к изучению свойств реальных систем электроснаб -жения, получивших название сложных, с применением которого осуществляется анализ и определение комплекса взаимосвязей между рас -сматриваемыми звеньями, элементами и функционированием в целом систем шахты.

Основу системного подхода составляет принцип целостности объекта исследования - системы подземного электроснабжения шахты, в отличие от функционального подхода, рассматривающего отдельные элементы системы без учета их существующих взаимосвязей и техно -логического влияния друг на друга в системе. Достижение поставленной цели исследования осуществляется комплексом задач решения проблемы моделирования и рационализации параметров обеспечения электроэнергией рабочих машин угольных пахт:

1. Разработка методики формирования статистических показателей надежности и изменения напряжения системы подземного электроснабжения .

2. Разработка методологии построения на базе системного подхода формализованной модели обеспечения электроэнергией рабочих машин.

Определение закономерностей влияния на технологический процесс объективных и субъективных факторов с обоснованием рациона -льного уровня изменения напряжения.

4. Оценка безотказности электроснабжения горных машин по выемке и транспортированию полезного ископаемого.

5. Теоретическое обоснование и разработка методов и средств управления обеспечением электроэнергией рабочих машин угольных шахт с рациональными параметрами.

Обеспечение электроэнергией машин рассматривается как составная часть производственного процесса, добычи полезного ископаемого, обуславливающего количественное изменение параметров грузопотоков во времени и пространстве, что определяет целостность структуры и функции.

Структура системы подземного электроснабжения отвечает статическому состоянию и является характеристикой взаимосвязей ее оборудования с оборудованием других систем. Группы оборудова -ния системы электроснабжения, объединенные единой целью функционирования, можно рассматривать как отдельные подсистемы, об -ладагащие определенной структурой и функцией. В тоже время между единицами оборудования к подсистемами внутри системы наблюдается тесная взаимосвязь. Структура системы электроснабжения в результате представляется с одной стороны расчлененной, а с другой -целостной. Расчлененность характеризуется качественными особен -ностями подсистем, на которые расчленяется система, и взаимным их расположением в пространстве и во времени. Рациональная структура системы обеспечения электроэнергией технологичес! го процесса в значительной мере зависит отстепени соответствия ее функциона- -ному назначению. .

Под функцией системы электроснабжения подразумевается способность выполнять действия в рамках ив ссответствии с целями шахтной системы более высокого уровня, в состав которой она входит. Функция отображает динамическое изменение параметров ра-работы -системы. При этом система может функционировать с требу-

емыми параметра!.«! только при образовании определенной ее структуры.

Для выявления фунг тонально-структурных характеристик системы используются импульсные потоки Усум , являющиеся результатом суммирования элементарных потоков ^¿('Ь) . Каждый из элементарных потоков описывает работу отдельного объекта в системе. Объекты системы, находясь в функционально-технологической взаимосвязи, 'воздействуют на работу друг друга, а следовательно, влияют на изменение параметров потоков, описывающих функционирование объектов. Функционально-технологические взаимосвязи (изменение па -раметров потоков) отображаются функцией ¿^('Ь) . Совокупность элементарных потоков X¿ (Ь ) с учетом изменения их параметров 1 ^ ("£ ) характеризует функционирование сложной системы подземного электроснабжения шахты и позволяет определить обеспечение электроэнергией процесса добычи и'транспортирования полезного ископаемого

СУМ

(I)

Уровень расчленения системы на составляющие определяет гиб -кость * универсальность системы. Основным фактором, относительно которого осуществляется расчленение системы подземного электро -снабжения, является структурная схема формирования грузопотоков угольной шахты. Анализ формирования шахтных грузопотоков наглядно показывает иерархичность, структуры и многостадийность образования системы подземного электроснабжения, обуславливающие количественное и качественное изменение ее параметров во времени и пространстве.

Решение поставленных задач основано на принципе конструирования макромодели процесса управления обеспечением электроэнергией рабочих машин путем реализации следующей идеи. Сущность ее зак -лючается в том,что наличие в технологических системах аккумули -рующих бункеров большой емкости, груз в которых может аккумули -роваться в течение длительного времени (до времени смены), поз -воляет рассматривать независимо функционирование совокупности машин, расположенных между бункерами, а соответственно и независимо друг от друга систем их электроснабжения. Учитывая это,предлагается функционально-структурный метод моделирования,базирующийся на принципе потенциальных преобразований грузопотона про -цессом обеспечения электроэнергией выемочных и транспортных ма -шин. Под преобразованием грузопотока транспортной установки из-за нарушения обеспечения электроэнергией технологических машин, понимается процесс изменения выходных его параметров относительно входных. Преобразование грузопотока (Э-преобразование) базируется на следующих принципах: выходной поток представляется как композиция законов распределения параметров случайных импульсных" потоков,описывающих входной грузопоток транспортной машины и характеристики функционирования системы электроснабжения, учитываются прямые связи, обусловленные воздействием входящего грузопотока, и внутренние изменения рассматриваемой системы. Степень Э-преобразования зависит от типа электрооборудования, леста его расположения в технологической схеме, избыточности, надежности системы электроснабжения, качества напряжения, характеристик грузопотока, поступающего на транспортную установку.

Параметры грузопотока зависят от эффективности работы всех шахтных систем. Остановки рабочих машин, обусловленные отказами

электрооборудования, приводят к изменению параметров шахтных грузопотоков. Для оценки изменения характеристик грузопотоков из-за отказов работы электрооборудования используется случайный импульсный поток .описывающий функционирование оборудования системы подземного электроснабжения. Импульсный поток характеризуется вероятностью появления импульсов и пауз Р , средней

— П

продолжительности импульсов £э и пауз (Цд , отображающих соответственно продолжительность работы и отказов системы, частотой следования » а также соответственно плотностями их распре-

деления ОС э ("С) и •

За математическую модель шахтного грузопотока принимается случайный импульсный поток Хр(Ь) . Параметрами такого потока являются вероятность появления Рг и отсутствия Р^ импульсов груза из л_авы, частота ^ , средняя длительность импульсов Х^ и пауз д[• , средняя высота импульсов груза С^^ . Известны также и законы распределения длительности импульсов ОС^. (2?) , их высот и продолжительность пауз •

Воздействие на грузопоток отказов электрооборудования опреде -ляется путем вычитания из потока, описывающего грузопоток, поток системы электроснабжения (рисЛ). В результате модель Э-преобра -зования грузопотока примет вид

э-

(2)

Исключение перерывов в электроснабжении приводит к увеличению по длительности импульсов груза и уменьшению частоты их следова -ния рг - Р3 Г г

№ '

Д/1

м ГА тт ппи

вг

Тг

ш

ш

9я

Рис.1. Моцель преобразования грузопотока из-за перерывов электроснабжения рабочих машн

При исключении перерывов в электроснабжении магистрального транспорта параметры импульсов' совпадений его суммарного грузопотока изменяются. Вероятность появления £ -го импульса совпаце -ния суммарного потока при безотказном электроснабжении машин бу -цэт _

а-1

О '

-{

(4)

где Рп.1*.л и Р:

^ - вероятности импульсов,совпадений суммарного потока и работы системы электроснабжения.

Средние длительности совпадений рассчитываются при этом по формуле

I . V . Т Р,.

--11-1,1. п.,щ а-1, и). э ¡1-1,1

Г . Г Р. -

Ч-1,0*1 Э (1,1+1

(5)

•г Р(г . р +дР +? Р \

п;Ь< э ^ м.сн п-!,сн э п-1,1+1 а-^ога-^)

-1 )

где ¿ =. 0,1,2,... П-2. .

На грузопотоки наряду с отказами электрооборудования оказы -вает влияние отклонение напряжения шахтной сети. Отклонение напряжения вызывает резкое снижение момента двигателя, увеличение потребляемого тока и времени пуска, повышение нагрева двигателей и сокращение срока их службы. С отклонением напряжения происходит

снижение производительности работы машин, а как следствие - из -меняются параметры грузопотока. Увеличение напряжения до номинального или на 5...1Ъ% выше его дает возможность уменьшить влия -ние колебаний напр...сения на работу выемочных машин, избежать потери добычи. Предложено путем преобр:зования импульсов совпаце -ний суммарного потока по высоте определять величину потерь добычи по математическому ожиданию их превышений, соответствующих

минимально допустимому уровню напряжения 1А в зависимости от - *- '

длительности Ъ . Сформулированы и выявлены условия, рпреце -ляющие изменение процесса добычи полезного ископаемого из-за колебаний уровня напряжения сети. Получены формулы изменения параметров грузопотоков как характеристик оценки эффективности обеспечения электроэнергией машин.

Представлен метод преобразования импульсов случайного потока как по высоте, так и по длительности, позволяющий осуществить прогнозирование возможности выполнения заданной производительности машин. Если выполнить преобразование по высоте 0 • и дли -

/ги

тельности импульсов суммарного потока,то продолжительность

импульсов совпадений, укороченных по длительности будет

езо \ .

Средняя высота импульсов совпадений, по высоте больших неко -торого заданного значения У. определится как

©о

(7)

а математическое ожидание импульсов, укороченных на величину

А

Г

-1

При этом средняя длительность импульсов совпадений, на кото -рых возникают потерн добычи, равна

Осуществлен анализ выделенных структур систем. В результате чего сформирован комплекс базовых моделей,цутем сочетания которых

г

производится построение и управление работой широкого класса систем подземного электроснабжения. Предложена структура обобщенной модели управления обеспечением электроэнергией рабочих машин, включающая детерминистические и вероятностное элементы, функционирующие в непрерывном и дискретном времени.

Повышение надежности оборудования и эффективности функционирования систем возможно за счет ввода организационных мероприятий. Организационные факторы взаимосвязаны между собой. Изменение лю -бого из них вызывает изменение параметров остальных факторов. Они' оказывают воздействие на наработки на отказ электрооборудования и функционирование системы электроснабжения. На основании преобра -зования случайных импульсных потоков получены формулы по опреде -

лению характеристик функционирования системы электроснабжения в

♦

случае проведения ремонтно-профилактического обслуживания. Установлены параметры потока, отображающего процесс преобразования шахтных грузопотоков пт отказов электрооборудования с проведением профилактических его ремонтов ( Рпр ). Показано, что поддержание надежности электрооборудования на соответствующем уровне за счет профилактического обслуживания возможно только при достаточном резерве запасных частей. Необходимое количество запасных частей

(9)

определяется надежностью электрооборудования и временем отработ -ки забоя, участка, горизонта шахты. Выявлено изменение параметров функционирования системы электроснабжения от задержек на время переключения с рабочего на резервное оборудование, включений оборудования после разгазирования забоя, лавы, откачки воды из емкостей водоотлива, разгрузки вагонов рельсового транспорта и т.д. ( Р^ ). Построена математическая модель Э-преобразования шахтного грузопотока в зависимости от безотказности работы элек -трооборудования системы электроснабжения при изменении организационно-технических факторов. Она позволяет сложную систему подземного электроснабжения свести к жесткому соединению элементов и определять влияние ее отказов на технологический процесс угледо -бычи шахты.

Для повышения эффективности функционирования систем применяется резервирование. Оно в системах электроснабжения достигается за счет избыточности во времени и структуре. Временное резервирова -ние осуществляется посредством ввода в транспортные системы бун -керов-накопителей, вагонов рельсового транспорта, регулируемого привода конвейеров. Накопители уменьшают влияние отказов подбун -керной цепочки на технологический процесс из-за того, что прек -ращение поступления груза из лавы наступает не в момент остановки подбункерних конвейеров, а после заполнения грузом свободной части объема бункеров. Эффективность временного резервирования определяется временем заполнения свободной .части накопителей. На основании -преобразования■случайных импульсных потоков, заключающегося в исключении из рассмотрения случайных величин (длительностей работы и отказов) меньших ^ и сокращении зна -чений на величину 3' , получены характеристики потока, описы -веющего работу машин при временной избыточности. Определены

параметры потока, характеризующего степень независимости работы машин от отказов электрооборудования системы с временной избыточностью.

В силу технологических особенностей зачастую одно и тоже оборудование одновременно подвергается структурному и временному резервированию. Эффективность структурного резервирования опре -деляется при этом временем перехода на резерв. Показано,что це -лесообразно предварительно оценивать влияние временного резервирования, а затем принимат длительность перехода на резервное оборудование равной разности времени перехода т резерв и времени заполнения объема накопителя выполнить оценку структурного резервирования. Определены параметры функционирования рабочих машин при структурной и временной избыточности в системах электроснабжения. Они выражаются п виде '

р Р'р1 • гр ъгс Ч >

р эгс '

Р=/-РР'Р/. ? (10)

Р ' з'с 41 I

^Ш'Чтт', _

где Р^' и - соответственно вероятность импульсов пото-

ка, характеризующая степень независимости работы ма -шин от отказов электрооборудования системы, подверг -шейся временной и структурной избыточности.

Выязлены области рационального применения избыточности. Наи -более целесообразно резервирование когда приращение вероятностей происходит в пределах для временного резервирования- I...0,3,для структурного - 0...0.6. На основании полученных характеристик по-

строена модель Э-преобразования шахтного грузопотока с учетом избыточности систем. Установлено, что отказы электрооборудования снижают добычу ^ахты до 20%. С применением временного и структурного резервирования уменьшаются потери добычи на 50...70%.

Надежность электрооборудования в значительной степени опреде -ляегся электрической прочностью изоляции токоведущих частей и обмоток его элементов.. Резкое увеличение температура изоляции обмоток и проводников происходит вследствие возникновения отклонений напряжения. Получена формула по определению значения напряжения, обуславливающего ускорение старения изоляции обмоток

I/ =Р

о и

и,

1Н

■ о°

о „

, -г ^н игн

где г~ - Т(и)<Х и - вероятность импульсов потока,характери-0 зующая степень независимости работы машин от отк -лонения напряжения сети (рис.2).

Определено влияние уровня напряжения на надёжность электродвигателей комбайнов", забойных конвейеров, которые функционируют в наиболее тяжелых условиях труда. Получена формула, устанавливаю -щая связь превышения температуры обмотки статора электродвигате -ля, уровня напряжения и нагрузки. На рис.3 представлены кривые превышения температуры обмотки са„гора комбайнового лектроцвига-теля 1ЭДК05Р в функции от напряжения на его зажимах для ряда значений нагрузки. Установлено, что область•наименьших превышений температуры обмотки Статора с ростом нагрузки сыещестся в сторону увеличения напряжения, то есть подтверждается необходимость в регулировании напряжения" для поддержания оптимального теплового режима электродвигателей выемочных машин. Выявлена зависимость

Рис.2. Изменение вероятности отклонения напряжения

изменения срока службы оборудования из-за отклонений напряжения и как следствие от температуры нагрева токоведущих частей. Определено время, в течение которого изоляция достигает своего предельного состояния. Построена модель Э-преобразования грузопотока из-за отклонения напряжения и вследствие этого уменьшения безотказности электрооборудования. Определено, что с изменением уровня напряжения на Ъ% срок службы электрооборудования уменьшается на 10...12^, а потери добычи возрастают на 7...8?.

В большинстве случаев величина напряжения на зажимах электродвигателей рабочих машин оказывается ниже допустимой. Поэтому рекомендовано осуществлять оценку изменения электрических нагрузок на основе аналитических зависимостей, связывающих основные эксплуатационные параметры асинхронного электродвигателя. Изме -нение эксплуатационных параметров электродвигателей приводит к изменению производительности машин, следовательно и нагрузки на забой. Предложен метод по определению взаимосвязи между нагрузкой на забой и электрическими параметрами электрооборудования рабочих машин. Получены зависимости напряжения и тока статора электродвигателей от нагрузки на забой и вероятности электрических нагрузок которые определяются по формуле

<1 =

I Х^кК'ар;

За(/-а(Рэ«)

I?

х^т*

(И/з^к'Аа

'(12)

где - ток холостого хода и момент в относительных едини-

цах;

- синхронная частота вращения магнитного пола ста

Рлс.З. Зависимости превышения температуры обмотки статора электродвигателя 1ЭДК05Р от напряжения

га

М

К' А

тора электродвигателя;

- индуктивное фазное сопротивление короткого замы -кания;

- критическое значение скольжения двигателя;

- параметр показательно., функции;

- параметр, характеризующий условия и уровень организации труда;

- нагрузка на забой; вероятность электрических нагрузок рабочих ыа-

шин.

Построены графики зависимостей напряжения и тока статора двигателей от нагрузки А и вероятности Р^ . Выделены области электрических нагрузок, соответствующие горно-геологическим и организационно-техническим условиям выемочных участков шахт Ка -рагандшского бассейна. Расхождение расчетных значений с эк^-пе -риментальныыи данными составляет не более 10%.

На основании рассмотренных методов разработана обобщенная модель Э-преобразования шахтных грузопотоков в соответствие с ко -торой параметры функционирования системы в целом могут быть оп -ределены как

(13)

Комплексный подход к оценке процесса обеспечения электроэнергией машин, построенный на основе теории случайных импульсных потоков, позволил для угольных шахт производственного объедине -ния "Карагандауголь" поэтапно оценить надежность, изменение напряжения электропотребителей каждого технологического звена. Вы -явлено, что из-за недостаточного уровня организационных мероприятий: большой периодичности проведения ремонтно-профилактическо-

го обслуживания, недостаточного количества запасных частей, низкого уровня квалификации ремонтного персонала - в процентном отношении на каждом из выемочных участков потери добычи составляют 6...8Й. Отсутствие временной избыточности на участках приводит к увеличен,.*) воздействия отказав электрооборудования магистрального транспорта на выемочные машины в 1,3...1,5 раз. Из-за не введения структурной избыточности на выемочных участках потери добычи составляют в среднем 7на магистральном транспорте-3...5%, колебаний напряжения - 9.. На подготовительных участках потери проходки.по различным факторам составляют: организационные-5...ЕЙ, структурная и временная избыточность - 4...7%, колебания напряжения в сети - 6...9'£. , -

Основная концепция предложенного подхода к управлению обеспечением электроэнергией рабочих машин угольных шахт определяется структурой системы, ее избыточностью, ь аиыосвязями оборудования внутри системы и с оборудованием других систем, надежностью, изменением напряжения, стратегией управления, техническими и организационными факторами, культурой производства. Управление обеспечением электроэнергией машин включает анализ процессов функционирования систем, оценку строения информационных потоков, законов управления процессами, синтез алгоритмов обработки информа -ции и оптимального планирования, выбор технических средств, реализующих эти алгоритмы, определение целесообразных режимов работы электрооборудования и т.д.

Эффективность функционирования системы определяется прежде всего надежностью электрооборудования, соотношением значений наработки на отказ ко времени его восстановления. Предложена программа анализа и управления временными параметрами функционирования электрооборудования. Разработано устройство для оценки вре -

менных параметров работы установок по характеристикам системы, которое подтверждено авторским свидетельством $ 1451727. Сущность изобретения состоит в аппаратурном оценивании вероятностных ха -рактеристик работы одной, двух и более единиц оборудования по информации о функционировании системьГ в случае невозможности проведения хронометражных наблюдений. Оценивание производится путем деления суммарного потока,характеризующего работу системы,на отдельные потоки. Программа и устройство оценки и управления временными параметрами позволяют выявлять возможные средства и меры по повышению эффективности функционирования подсистем электроснабжения как на ст^',..и проектирования, так и эксплуатации.

Технологическими факторами управления процессом обеспечения электрической энергии рабочих машин при временной избыточности являются интенсивность поступления груза в накопитель, скорость его загрузки и разгрузки. При выполнении одновременно с времен -ним структурного резервирования необходимо стремиться к ситуации, при которой время заполнения накопителя .больше времени перехода на резервное.электрооборудование.

Анапи- транспортных схем Карагандинского угольного бассейна показывает, что в конвейерных системах шахт наблюдаются случаи последовательного расположения накопителей. Исследовано влияние в этом случав накопителей на параметры грузопотока. Постоянная составляющая пауз Ь { входного потока равна отношению количества груза, соответствующего объему первого бункера,к средней интенсивности за машинное время забойного грузопотока. Постоянная составляющая импульсов , зависим от производительности и объема технологической емкости первого бункера. Распределение длительностей переменных составляющих пауз и импульсов подчиня -ется экспоненциальному закону. Параметрами таких законов являют-

ся значения соответствующие средним длительностям переменных составляющих пауз и импульсов . Рассмотрены различные комбинации между технологическими объемами накопителей и произво -дительностями их питателей. Показано, «то в зависимости от соотношения V и (Ц в бункере происходит суммирование или деление импульсоз груза. Так в случае когда производительность питателя первого бункера больше производительности второго, а объем пер -вого накопителя меньше, чем у второго, то в бункере наблюдается суммирование импульсов при заполнении технологической емкости грузом и разгрузке бункера. При этом средняя пауза выходного грузопотока после второго бункера будет

•1

(14)

)

где Ф - продолжительность включения бункерного

■ питателя от груза одного импульса.

Показано,что с увеличением наличия количества накопителей в конвейерной цепочке усложняется технологическая система и управление ее избыточностью. Более эффективным является использование одной емкости, расположенной по возможности ближе к забойному оборудованию.

При функционировании электрооборудования одним из основных аспектов стабилизации его работы служит поддержание на соответствующем уровне питающего напряжения. Снихелио напряжения на зажимах электропотребителей наблюдается как от уменьшения напряжения питающей сети, так и из-за потерь в кабельных линиях. Для обес -печения эффективного функционирования системы необходимо стремиться к уменьшению протяженности кабельных линий. Показано иэме -нение параметров грузопотоков от разветвленности и протяженности

кабельных линий.

Стабилизация электрических нагрузок достигается усилением динамической взаимосвязи между нагрузкой' на забой и электрическими параметрами. Управлению изменением напряжения и сокращению простоев электрооборудования способствует стабилизация режимов его работы, обуславливающая улучшение температурных характеристик электропотребителей, исключение перегрева изоляции обмоток,повышение надежности оборудования и со1фшцение расхода электроэнер -гии. Для решения этой задачи предложено устройство защиты электродвигателей от перегрева в режиме частых пусков. Целью изобре -тения а.с. № 127 3 является обеспечение оптимальной выдержки времени между включениями электрического двигателя в зависимости от числа и частоты предшествующих пусков. Устройство обладает свойством саморегулирования. Если время между включениями больше времени выдержки устройства, но при этом в последующем пуске возможен перегрев обмоток двигателя, то время выдержки увеличивает -ся, когда же, контролируемое время достаточно продолжительно и не возможен перегрев обмоток даже при уменьшении времени между включениями, устройство уменьшает время выдержки. Причем, от пуска к пуску время выдержки устройства стабилизируется, приближаясь к оптимальному .значению для- данного режима работы.

Увеличению срока службы,оборудования, изоляции его обмоток способствует поддержание на нормируемом уровне температуры токо -ведущих частей. При моделировании температуры учтено тепловое состояние оборудования в момент увеличения нагрузки. Для повышения точности моделирования температуры и поддержания ее на соответствующем уровне предложено устройство тепловой запргаы электродвигателей (а.с.№ 1319143). Оно позволяет исключить возможность неправильных действий устройства защита от перегрева. Разработанные

устройства не только управляют частотой и продолжительностью включения электрооборудования,но и осуществляют регулирование электрических нагрузок поддерживая величину напряжения сети на заданном уровне.

На поддержание безотказности работы электрооборудовании направлено ремонтно-профилактическое обслуживание. Оно воздействует на все электрооборудование независимо- от места установки его в технологическом процессе. Эффективность профилактических реыон -топ зависят от своевременности их проведения (периодичности обслуживания), квалификации и численности персонала,обеспеченности запасными частями, материалами, то есть культуры и уровня орга -низации работ в целом на предприятии. Численность обслуживающего персонала в свою очередь регламентируется списочным составом электрооборудования системы электроснабжения. Потребное количество запасных частей оборудования определяется законом распределения длительностей его наработок на отказ, временем отработки системы, а также культурой обслуживания и эксплуатации. Рациональное проведение профилактического обслуживания снижает потери добычи от отказов электрооборудования на 15...18^. Предложена программа обеспечения профилактического обслуживания, которая позволяет своевременно реагировать на снижение работоспособности машин,обусловленное функционированием системы электроснабжения, и вырабатывать в каждом конкретном случае'меры и средства повышения безотказности систем. Она пригодна для расчета электрических систем гюбой сложности как угольных иахт, так и других горных предприятий.

Учитывая сложную взаимосвязь между электрооборудованием и машинами, средствами и способами эффективного обеспечения электроэнергией разработана структура системы управления этк^ процессом.

Одним из важнейших вопросов является, в данном случае, правиль -ный выбор степени централизации управления. Качество управления •зависит от состояний всех элементов, звеньев, подсистем системы. Показано, что предпочтительно принятие для управления электрообеспечением шахты системы управления с иерархической структурой,обладающей несколькими уровнями управления. На базе выработанных схем управления функционированием отдельных единиц оборудования и подсистем электроснабжения разработана единая программа управле -ния электрообеспечением рабочих машин независимо от места их ус -тановки в технологической системе процесса угледобычи. Она учитывает взаимосвязь оборудования систем обеспечения технологического процесса с рабочими машинами. Выявлено изменение потерь добычи от внедрения мероприятий по повышению безотказности системы электроснабжения и их сочетания. Разработана возможная последовательность мероприятий. Установлено, что наиболее целесообразным является применение схемы управления обеспечением электроэнергией рабочих машин, при которой осуществляется следующая последовательность проведения мероприятий: выбор более надёжного электрооборудования, уменьшение количества оборудования, уменьшение отклонения напря -жения, оценка временной и структурной избыточности, профилактического- обслуживания. Потери добычи от отказов электрооборудования при этом снижаются ц.а 80..,95%. Естественно, как каждое из пред -локенных мероприятий, так и в целом схема управления функционированием, электроснабжения должны быть оценены на основании технико-экономических расчетов.

С этой целью были проведены исследования характеристик элект -рообеспечения рабочих машин на предприятиях Карагандинского уго -льного бассейна. Они охватывают последние 10...15 лет. Исследованию подлежали напряжение, ток и коэффициент мощности электрообо -

руцования. Для выявления влияния условий и режимов работы элект -рооборуцования на его безотказность проводились хронометражные наблюдения. На шахтах с подконтрольным оборудованием измерялись температура, влажность среды, вибрация на электродвигателях и регистрировалось число коротких замыканий в системе электреснабясе -ння. В результате этого установлено, что меньшим нагрузкам на забой соответствует большее число включений комбайна и забойного конвейера..С увеличением нагрузки средняя продолжительность работы за одно включение возрастает. Распределение значений продолжительности работы за одно включение и длительностей пауз между включениями подчиняется экспоненциальным законам. Параметрами таких законов соответственно являются обратные значения средних продолжительностей работы за одно включение и пауз между включе -ниями. Загрузка по току электродвигателей рабочих машин неодина -кова. Из обследуемых двигателей комбайнов 66% работают с загруз -кой по мощности в пределах 0,71.,¿1,0, а 22$ двигателей перегру -жены в 1,5...2,0 раза. Загрузка по току двигателей зависит от суточной производительности и сопротивляемости угля резанию. Коэф -фнциент загрузки пускателей комбайнов в основном (87,5%) превышает 0,5. Для большинства магнитных пускателей забойного конвейера (85,7%) коэффициент загрузки трансформаторов прямо пропорционален суммарной установленной мощности электродвигателей и обратно пропорционален мощности трансформатора. Наибольшее изменение напря -кения характерно для электродвигателей комбайна и забойного кой -вейера. Его изменение зазисит от числа пусков электродвигателей, их загрузки по току. Оно составляет б...19%. Электродвигатели комбайна и забойного конвейера работают с пониженным коэффициентом мощности, который соответственно равен 0,5...О,8 и 0,6...0,8 от номинального значения. До 35% от количества электродвигателей - с

загрузкой от 0,91 до 1,00 и 36% - с загрузкой свыше 1,00.

Статистические данные о безотказности электрического оборудования и его элементах показывают, что распределения наработок на отказ соответствуют экспоненциальному закону. Распределение времени восстановления электрооборудования зависит от уровня орга -низации труда на предприятии, культуры обслуживания и соответствует экспоненциальному, логарифмически-нормальному или усеченно-нормальному законам.

Выбор мероприятий по управлению электрообеспечением угольных шахт с рациональными параметрами должен базироваться на достижении наибольшего значения экономической эффективности из сопоставления затрат на внедрение мероприятий и возникающего при этом экономического эффекта, либо наибольшего значения рентабельности добычи. Учитывая, что внедрение мероприятий по повы -шению надежности системы электроснабжения приводят к увеличе -нию коэффициентов машинного времени выемочной машины получены формулы по определению прироста нагрузки на забои в случае наличия структурной и временной избыточности, при проведении профилактического обслуживания, оценки работы рабочих и резервных систем и возникающих при этом задержек. На основе этих формул построены графики изменения прироста нагрузки на ра -бочие машины.-Прирост Нагрузки,из-за введения структурной и временной избыточности в систему приведен на рис.4. Он построен "в зависимости от вероятности работы оборудования вероятности, характеризующей взаимосвязь электрооборудования с рабочими машинами при введении избыточности,для различных значений коэффициента машинного времени. Причем, если отсутствует

структурная или временная избыточность, то соответствующая вероятность, характеризующая связь электрооборудования, приравнива -

ется единице. По приросту нагрузки на забои рассчитывается зко -

РаРи

Рис. 4. Изменение нагрузки на работав машины при введении в систему структурной и временной избыточности

нолтческая эффективность, В результате расчетов установлено, что повышение безотказности электрических двигателей рабочих машин, в особенности комбайнов и забойных конвейеров, возможно за счет использования устройств их защиты от ненормальных режимов работы. Целесообразно каждый электрических двигатель оснащать устройст -вом для защиты от перегрев^ в режиме частых пусков, а электро -двигатели конвейеров участковых, магистральных - устройством для тепловой защиты,. При этом вероятность связи между электрообору -цованием и работами машинами уменьшается на 30.,.40%, нагрузка на забои повщает- я на 20..,30$. Использование устройств тепло -вой защиты двигателей участковых конвейеров способствует увели -чению нагрузки на рабочие машины на 0,5...0,й$, а магистрального транспорта и конвейерного подъема - 0,5.,,1,0%. При введении временной избыточности взаимосвязь между электрооборудованием и рабочими машинами уменьшается на 60...70%. Ввод бункера оптима -льного объема обеспечивает прирост нагрузки на забои на участках на 6...9%, на магистральном транспорте и конвейерном подъеме -4, ..6$. Оснащение регулируемыми питателями накопителей снижает потери добычи от отказов электрооборудования на выемочных участках на 7,,.11%, на магистральном транспорте и конвейерном подъеме -

При нагрузке на выемочном участке менее 1500 т угля в сутки в качестве резерва целесообразна иметь магнитный пускатель и гиб -кий кабель комбайна, а также унифицированную насосную станцию, оснащенную электрооборудованием. При нагрузке на забой более 1500 т угля, кроме перечисленного на участке должен быть резервный электрический двигатель комбайна. На подготовительных участках резервировать необходимо электрооборудование вентиляторов местного проветривания. На магистральном транспорте и конвейер -

ном подъеме необходимо иметь на пять однотипных электрических' двигателей один резервный и на три пускателя конвейеров - один резервный магнитный пускатель. При этом взаимосвязь между электрооборудованием и рабочими машинами любого технологического звена может быть ослаблена не более чем на 20...25^. ,

При экономической оценке изменения напряжения в электрических сетях рассматриваются две составляющие процесса - электромагнитная и технологическая. Электромагнитная составляющая в основной определяется изменением потерь мощности и сокращением срока службы изоляции электрооборудования. Технологическая составляющая обусловлена влиянием изменения напряжения на производительность рабочих машин и себестоимость выпускаемой продукции.

Предложена методика экономической оценки электромагнитной составляющей, в соответствии с которой рассчитывается срок службы оборудования,а затем определяются значения прироста нагрузки на забои, экономического эффекта и обусловленных затрат.

При изменении производительности машин вследствие отклонения напряжения прирост нагрузки будет

К^ь+ни^+ми^)"1 (15)

где И - параметр, зависящий от мощности вынимаемого пласта, ширины захвата исполнительного органа, плотности угля, коэффициентов скоростной характеристики комбайна, устойчивой его мощности в конкретных горно-ге -ологических условиях;

1/д - значение напряжения большее или меньшее номинально -ГО ин .

Используя (15) построен график изменения прироста нагрузки на

забои (рис.5) применение которого позволяет оценить экономическую целесообразность стабилизации напряжения..

В результате расчетов выявлено, что применение мер по стаби -лизации напряжения обеспечивает повышение срока службы,а следо -вательно, наработок на отказ электрооборудования выемочных участков в среднем на 10...15$, магистрального транспорта и конвейерного подъема - 7...12^. Кроме того, с введением в системы электроснабжения трансформаторов с устройствами РПН и ПБВ, батарей конденсаторов, синхронных двигателей, а иногда и установок про -дольной компенсации и т.д., снижаются потери добычи по шахте в среднем на 12.., 17^. Для повышения стабилизации напряжения структуру участковых сетей целесообразно формировать с учетом возникновения минимальных отклонений напряжения сети.

Увеличению нагрузки на забои способствует проведениё ре'*онт -но-профилактического обслуживания с рекомендуемой периодичностью. При этом сокращение числа единиц электрооборудования за счет ввода устройств защиты и накопителей позволяет уменьшить число электрослесарей, участвующих в профилактических ремонтах. В результате выполнения обслуживания с рекомендуемой последовательностью эффективность функционирования системы подземного электроснабжения возрастает на выемочном участке до 5%, подготовительном уча- ■ стке на 0,8.»Л,2!^, магистральном транспорте - на 1,5...3,0&.На-грузка при этом возрастает на выемочных участках на 1,4...2,3$, подготовительных - 0,1,..0,355, магистральном транспорте и конвейерном подъеме 0,5...0,9^.

Выполненный анализ сравнения, схем управления электрообеспечением рабочих машин показывает, что применение схемы при которой оценка средств и мер по стабилизации напряжения осуществляется после исследования характеристик безотказности электрооборудова-

Рис. 5. Изменение нагрузки на рабочие машины при отклонениях напряжения в электрических сетях

ния, обеспечивает несколько большее уменьшение потерь добычи (80. ..95$)по сравнению с другими схемами управления (60...80%).

В результате внедрения предлагаемых мероприятий только на шести шахтах Карагандинского бассейна в 1990г.'получен экономический эффект в размере 413 тыс.рублей в год. Предложенный метод определения степени обеспечения электроэнергией рабочих машин и эконо -мического обоснования мероприятий по управлению этим процессом справедлив не только для угольных шахт, но и любых горно-рудных предприятий с поточно-цикличной технологией производства. Данный метод распространен на предприятиях научно-производственного объединения "Джезказганцветмет". В настоящее время на стадии внедрения находятся устройства тепловой защиты и защиты электродвигателей от перегрева в режиме частых пусков. Результаты работы испо -льзованы Институтом горного цела им.А.А.Скочинского при испедо -ваниях уровня качества основного взрывобезопасного электрообору -дования и кабелей, а также разработке рекомендаций по повышению уровня качества, унификации, создании новых видов тахтгого электрооборудования и кабелей. Они внедрены на Ворошиловградском энер-гозавоце,'гце позволили повысить уровень надежности за счет уве -личения в среднем на 10% значений наработки на отказ электрообо -рудования после капитального ремонта. Результаты работы нашли отражение в отраслевых нормативно-угехнических документах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований дано теоретическое обобщение и решение научной проблемы создания механизма управлейия обеспечением электрической энергией рабочих машин горных предприятий, имеющей важное социальное и народнохозяйственное значение.

Основные научные результаты, выводы и практические рекоменда -

ции заключаются в следующем:

1. Процесс управления обеспечением электрической энергией рабочих машин угольных шахт'является сложной логико-динамической вероятностной системой, состоящей из конечного набора функциональных элементов с определенными функциями, свойствами и способами их сочетания. Достоверные результаты по выбору структуры системы управления электрообеспечениеы и определению ее параметров могут быть получены на базе реализации основных принципов системного подхода с учетом структуры системы электроснабжения,связей между электрооборудованием и технологическими машинами,состояния электрической подземной сети шахты.

2. Созданы методология и теоретические положения управления эффективностью функционирования систем электроснабжения угольных шахт на базе случайных импульсных потоков, предложенных в качестве математических моделей функционирования единиц электрооборудования, электрических подсистем и систем, динамических взаимо -связей между ними, режима электропотребления предприятия с уче -том технологических, технических и организационных факторов ра -боты пахты в целом.

3. Для решения задач структурно-параметрического анализа и синтеза предложен функционально-структурный метод моделирования базирующийся на принципе потенциальных преобразований грузопотока процессом управления обеспечением электроэнергией выемочных и транспортных машин (Э-преобразование). Показано, что выходной ' поток является композицией законов распределения параметров случайных импульсных потоков, описывающих входной грузопоток транспортной машины и характеристики функционирования системы элект -роснабжения. Степень Э-преобразования зависит от типа электрооборудования, места его расположения в технологической схеме, избы-

точности, безотказности системы электроснабжения, изменения значений напряжения, организационных факторов, характеристик грузопотока, поступающих на транспортную установку.

4. Анализ выделенных структур системы позволил сформировать комплекс базовых моделей, путем сочетания которых осуществляется построение и управление работой широкого, класса систем подземного электроснабжения. Предложена структура обобщенной модели уп -равления обеспечением электроэнергией рабочих машин, включающая детерминистические и вероятностные элементы, функционирующие в непрерывном и дискретном времени. Разработанные способы конструирования адекватных схем преобразования технологического процесса предприятий являются основой составления операторных модулей соответствующих электрических систем.

5. Определяющим фактором при проектировании и управлении эксплуатируемой системы подземного электроснабжения служит производительность выемочных машин (грузопотоков), являющаяся конечным результатом функционирования шахты. Случайный импульсный поток прямоугольных импульсов различной высоты и длительности, приня -тый в качестве математической модели обеспечения электроэнергией рабочих машин, адекватно отображает функционирование электрооборудования и. систем электроснабжения с учетом их надежности.

. 6. Взаимосвязь между элементами системы электроснабжения и

• у

технологическими машинами не является статической. Получены ве -роятности связи, отображающие динамический характер изменения параметров функционирования не только системы электроснабжения, но и в целом общешахтной системы. Для шахт бассейна они различны и изменяются по структуре, функциональной нагрузке и времени. Установлены законы формирования этих взаимосвязей. Связь между электрооборудованием рабочими машинами может быть усилена или ос -

лаблена мерами технического и организационного характера.

7. Определены условия рационального управления работой систем за счет ввода организационных мероприятий, направленных на уве -личение продолжительности безотказной работы электрооборудования. Разработал' метод оценки эффективности функционирования оборудо -вания, базирующийся на сопоставлении законов распределения вре -мени его восстановления и алгоритм достижения нормируемой безотказности систем подземного электроснабжение . Показано, что эффективность функционирования оборудования зависит от своевременности проведения обслуживания, квалификации и численности персонала, обеспеченности запасными частями, материалами, то есть от культуры и уровня организации работ в целом на предприятии. Численность обслуживающего персонала регламентируется списочным составом электрооборудования систеш электроснабжения. Потребное количество запасных частей оборудования определяется законом распределения длительностей его наработок на отказ, временем отработки системы, а также культурой обслуживания и эксплуатации.-

8. Предложен метод по определению взаимосвязи между нагрузкой на забой и электрическими параметрам электрооборудования рабо -чих машин. Выявлены аналитические зависимости напряжения и тока статора электродвигателей от нагрузки на забой и вероятности электрических нагрузок. Разработан метод по опредачению значения напряжения, обуславливающего ускорение старения изоляции'обмоток, а также связи превышения температуры обмотки статора электродвигателя, уровня напряжения и нагрузки. Область наименьших превы -шений температуры обмотки статора с ростом нагрузки смещается в сторону увеличения напряжения с целью поддержания оптимального теплового режима электродвигателей. С изменением уровня напряжения на Ъ% срок службы электрооборудования уменьшается на 10...12%,

а потери добычи возрастают на 7...856.

9. Совокупность результатов количественной оценки безотказности практически всей номенклатуры основного шахтного электрооборудования и его электрических нагрузок, полученная на основе экспериментальных исследований непосредственно в условиях эксплуатации угольных шахт позволила для практических расчетов исполь -зовать разработанные математические модели и методы, целенаправленно управлять обеспечением электрической энергией рабочих ма -шин, повышая безотказность, технический уровень и совершенство -вать методы эксплуатации рудничного электрооборудования и шахт -них электротехнических комплексов.

Разработанные структура и принципы организации исследований безотказности и электрических нагрузок электрооборудования апробированы на угольных шахтах в течение многих лет и могут явиться основой для дальнейших- исследований эффективности функционирования электрооборудования и систем электроснабжения горно-рудных предприятий.

10. Оценка безотказности электрооборудования и системы электроснабжения и ее-влияния на технологический процесс выполняется по сравнению соответствующих вероятностей. Резервирование в системах достигается за счет введения избыточности во времени и структуре. Эффективность' временной избыточности определяется временем заполнения свободной части накопителей, а структурного-временем перехода на резервное электрооборудование. Наиболее целесообразно введение избыточности когда приращение вероятностей происходит в пределах для временного резервирования - 1...0,3, а для структурного - О...0,6. Отказы электрооборудования снижают

добычу шахты до С применением временной и структурной избы-

точности потери добычи уменьшаются на 50...70%.

11. Предложен метод вероятностного прогнозирования степени обеспечения электрической энергией,рабочих машин, который позволяет формировать структуру подземной системы электроснабжения, функционирующей с минимальными отклонениями напряжения сс.'И и оптимальной безотказностью ее электрооборудования.

12. Разработаны и защищены авторскими свидетельствами устройства, осуществляющие защиту электрических двигателей от перегрева в режиме частых пусков, а также для тепловой защиты электро -двигателей, которые предотвращая ситуации перегрева и разрушения изоляции токоведущих частей электрооборудования и тем самым по -вышая его безотказность, в сочетании с существующими типовыми техническими средствами- позволяют выполнять управление обеспечением электроэнергией рабочих машин.

13. Предложены основные принципы и стратегия управления обеспечением электроэнергией рабочих машин,- которые представляют собой законченный во времени и пространстве комплекс мероприятий, обоснованных экономико-математическим моделированием.

Их внедрение позволяет получать результаты сопоставляемые с це -лями и затратами и обеспечивает уменьшение потерь добычи,обусловленных нарушениями в электроснабжении,по шахте в среднем до 80. ..957». ' ^ ■

14. Результаты выполненных исследований наши практическую, реализацию в ряде отраслевых нормативных документов Минуглепрома СССР, а также в рекомендациях по управлению эффективностью функционирования систем подземного электроснабжения, повышению без -отказности и технического уровня рудничного электрооборудования и

систем, которые используются в практике проектирования и эксплуатации.

Внедрение результатов исследований дало значительный экономический и социальный эффекты, а также использованы в учебном процессе при подготовке студентов горно-электротехнических специа -льностей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих ра -ботах:

1. Масловская Т.Н. Оценка влияния надежности электрооборудо -вания выемочного участка на работу добычного комплекса//Электри-фикация и автоматизация производственных процессов:Сб.науч.работ/ КарПТИ-Караганда,1979.

2. Масловская Т.Н. Математическая модель работы элемента схемы электроснабжения угольной пшхты//Автоматизированное управле -ьие и проектирование электроэнергетических и теплофикационных систем:Сб.статей КарПТИ-Караганда,1980.

3. Шпиганович А.Н.,Масловская Т.Н.,Ермак Б.Б. О возможности представления работы добычного комплекса угольных шахт случайным потоком прямоугольных импульсов/ТМеханизация и автоматизация горных работ/Сб.ин-та Гйпроуглвгормаш: А-А..Казахстан,1976.

. 4. Шпиганович А.Н.,Масловска^ Т.Н. Влияние последовательного расположения усреднящих бункеров в конвейерных системах угольных шахт ña характеристики грузопотока//Известия вузов.Горный журнал. -1977,№ 4. .

5. Шпиганович А.Н.,Масловская Т.Н. Использование моделей-суммарных потоков цлл определения характеристик машин//Надежность и контроль качества. -1977, № 9,

6. Шпиганович А.Н,,Масловская Т.Н. Влияние параметров усред -ненного грузопотока на температурный режим двигателя электропривода ленточных конвейеров//Механизация и автоматизация производственных процессов горнодобывающей промышленности/Сб.статей КарПТИ,выпуск У1.-Караганда,1977.

7. Шпиганович А,Н,.Масловская Т.Н.,Ташкенбаев Ы.Т.,Крицевый Ф.Н. Исследование эксплуатационной надежности автоматических фидерных выключателей шахт Карагандинского бассейна//Известия ву -зов.Горный журнал.-1979,№ 7.

8. Шпиганович А.Н,, Масловская Т.Н. Влияние эксплуатационной надежности электрооборудования на работу выемочных комплексов угольных шахт//Известия вузов.Горный журнал.-1979, № б.

9. Шпиганович А.Н.,Масловская Т.Н. Елияние надежности привод -ных электродвигателей на грузопотоки конвейеров угольных шахт// Известия вузов.Горный журнал.-I979.fi 10.

10. Масловская Т.Н. Исследование надежности взрывобезопасных станций управления//Деп.ЦНИЭИУголь, № 1393, Библ.указ.I? 6(357), 1979.

11. Шпиганович А.Н.,Масловская Т.Н. Оценка влияния надежности электрооборудования стационарных насосных установок на функцио -нирование выемочного участка//Добыча угля подземным способом.~ 1981, »7.

12. Шпиганович А.Н., Масловская Т.Н. Оценка влияния надежности электрооборудования поцбункерного конвейера выемочного участка ¡1а Акционирование добычного комплекса//Добыча угля подземным способом.-1981, № 8.

13. Шпиганович А.Н., Масловская Т.Н. Исследование влияния надежности электроснабжения выемочного участка на функционирование добычного комплекса//Добыча угля подземным способом.-:1981, № 8.

14. Шпиганович А.Н.,Масловская Т.Н. Исследование влияния надежности магнитных пускателей и электродвигателей на работу забойного конвейераХ/Известия вузов.Горный журнал, 1985, № 2.

15. Шпиганович А.Н.,Масловская Т.Н. Влияние надежности элект -

< ■

рооборуцования на параметры участковых грузопотоков и работу за -бойных машн//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых- 1982,№ б.

16. Масловская.Т.Н. Надежность магнитных пускателей//Гезисы докладов. Региональная конференция молодых ученых и специалистов "Молодые ученые - развитию науки и технического прогресса".-Ка -раганда,1983.

17. Масловская Т.Н. Оценка резервирования оборудования в системах электроснабжения выемочных участков/тезисы докладов. Всесоюзная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов угольной промышленности "Совершенствование технологии, механиза -ции и организации производства при добыче угля".-Люберцы,Москва, 1983.

18. Шпиганович А.Н. .Масловская Т.Н. Характеристики надежности

и поэлементное распределение повреждений электрооборудования//Деп. ВИНИТИ, № 2439,вып.5(139) "Депонированные рукописи,1983.

19. Шпиганович А.Н..Масловская Т.Н.,Миновский Ю.П..Кожевников В.А. Математические характеристики работы трансформаторных под -станций и электроприводов выемочных комплексов//Известия вузов. Горный''журнал,- 1985, » 2.

20. Шпиганович А.Н.,Масловская Т.Н..Миновский Ю.П..Бейбитов Е.Д. Влияние нагрузки на забой на характеристики электродвигате -лей выемочных машин//Известия вузов Горный журнал.-1986, № 2.

21. A.c. 1275628 (СССР). Устройство для защиты электрического двигателя от перегрева в режиме частых пусков/ А.Н.Шпиганович .

Ю.П.Миновский, Т.Н.Масловская, Е.Д.Бейбитов. - Опубл. в Б.И.,' 1986, №45.

22. A.c. I3I9I43 (СССР). Устройство для, тепловой защиты электродвигателя/ А.Н.Шпиганович, Т.Н.Масловская, Е.Д.Бейбитов. -Опубл. в Б.И., 1987, №23.

23. A.c. I45I727 (СССР). Устройство цля оценки временных параметров работы установок по характеристикам системы/ А.Н.Шпиганович, Т.Н.Масловская, Е.Д.Бейбитов. - Опубл. в Б.И., 1989, .»,82.

24. Шпиганович А.Н.,Масловская Т.Н. Методы и модели исследования систем подземного электроснабження//Деп. ЦНИЭИУголь, 4854, Депонированные научные работы,- 1989, №3.

25. Масловская Т.Н. Изменение параметров грузопотоков из-^за колебаний уровня напряжения сети//йзвестия вузов. Горный журнал.-1990, № II.

26. Шпиганович А.Н., Масловская Т.Н. Принцип функционально-структурного моделирования систем//Зффективность применения электромеханического оборудования горных предприятий/Сб.статей КарПТИ. - Караганда, 1990.

27. Шпиганович А.Н..Масловская Т.Н. Оценка надежности элект -родвигателей машин угольных шахт//Научно-технические достижения и передовой опыт в угольной промышленности. - !i.:I99I, j? 5.

28. Масловская Т.Н. Влияние надежности электрооборудования выемочного участка на работу его машн//Научно-технические достижения и передовой опыт в угольной промышленности. - М.:1991, 5."

.-'29. Масловская Т.Н. Модель преобразования грузопотока вследствие перерывов электроснабжения рабочих машин//Иэвестия вузов. Горный журнал. - 1991, $ 2.