Иванцов В.В., к.т.н., доцент, заместитель генерального директора ЗАО "ЭРАСИБ"

В статье на примере шахтной подъемной машины 2Ц-5*2,3 шахты «Осинниковская» ОУК «Южкузбассуголь» проведен расчет экономии электроэнергии при замене роторной станции электродвигателя с фазным ротором на регулируемый электропривод «ЭРАТОН-ФР»

1.1. Тип шахтной подъемной машины (ШПМ) — НКМЗ 2Ц-5*2,3 (одноканатная).
1.2. Назначение ШПМ — грузовая.
1.3. Тип подъемного сосуда — неопрокидывающийся скип 2120 г/п 11000 кг.
1.4. Количество подъемных сосудов ШПМ — двухсосудная.
1.5. Количество горизонтов, обслуживаемых ШПМ — один.
1.6. Высота подъема для каждого горизонта — 534 м.
1.7. Перечень режимов работы ШПМ

1.7.1. Подъем груза

а) скорость подъема — 7 м/сек;
б) количество подъемов в час — 25;
в) время цикла — 144 сек;
г) время работы подъема в сутки — 18 часов;
д) число рабочих дней в году — 350.

1.7.2. Осмотр ствола шахты и осмотр канатов

а) скорость движения сосуда при осмотре — 0,3 м/сек;
б) количество осмотров в сутки — 1;
в) количество прогонов при осмотре — 4.

1.7.3. Замена каната и сосудов — по необходимости.

1.8. Режим управления подъемной машиной — ручной.
1.9. Количество и тип электродвигателей ШПМ — два электродвигателя АКН-16-51-20.
1.10. Номинальные данные электродвигателей:

1.10.1. Мощность Р_н = 800 кВт.
1.10.2. Обороты n_н = 293 об/мин.
1.10.3. Напряжение статора U_cн = 6000 B.
1.10.4. Напряжение ротора U_pн = 665 B.
1.10.5. Ток ротора I_pн = 755 А.
1.10.6. Коэффициент мощности cosφ = 0,8.
1.10.7. КПД = 92%.

1.11. Температура окружающей среды от +1ºС до +35ºС.
1.12. Описание действующего электропривода ШПМ

Электропривод действующей ШПМ содержит пусковую резисторно-контакторную станцию (ПРКС) в роторе и станцию динамического торможения (СДТ) в статоре каждого электродвигателя. Структурная схема электропривода показана на рис. 1. ПРКС в роторе каждого электродвигателя содержит набор резисторов (омических сопротивлений) и контакторов. СДТ представляет собой регулируемый источник постоянного тока, который подключается к двум фазам статора электродвигателя при отключенной сети 6 кВ 50 Гц и обеспечивает создание тормозного момента электродвигателя.

Рисунок 1: Структурная схема электропривода ШПМ с ПРКС и СДТ

1.12.1. Подъем груженого скипа с нижнего горизонта шахты

Один цикл подъема груженого скипа с нижнего горизонта шахты включает следующие режимы работы ШПМ:

1) разгон скипа;
2) движение с пониженной скоростью;
3) разгон до максимальной скорости;
4) движение с максимальной скоростью;
5) замедление;
6) дотяжка и ход в разгрузочных кривых;
7) стопорение.

Усредненные значения технических параметров, характеризующих перечисленные режимы работы ШПМ за цикл подъема скипа, представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Перечисленные выше режимы работы ШПМ обеспечиваются следующими режимами работы электропривода ШПМ:

Для создания режима 1 на статор электродвигателей подается напряжение 6 кВ 50 Гц, а к цепям ротора подключаются омические сопротивления первой ступени ПРКС, обеспечивающие протекание в цепи ротора пускового тока, достаточного для создания пускового момента электродвигателя. Двигатели разгоняются до скорости 0,40 м/сек за время 1,6 сек.

В режиме 2 включены сопротивления первой ступени ПРКС в роторах электродвигателей.

В режиме 3 для разгона электродвигателей до максимальной скорости поочередно закорачивают ступени сопротивлений контакторами ПРКС, что обеспечивает поддержание пускового момента электродвигателей больше момента сопротивления в течение всего разгона электродвигателя. В рассматриваемой ШПМ таких ступеней шесть.

В режиме 4 после разгона электродвигателей до скорости, близкой к номинальной, в цепи ротора оставляют относительно небольшие сопротивления, обеспечивающие выравнивание нагрузок двух электродвигателей ШПМ.

Для замедления скипа в режиме 5 отключают статоры электродвигателей от сети 6 кВ 50 Гц и подключают их к станции динамического торможения (СДТ). Регулируя величину постоянного тока статора создают нужный тормозной момент для замедления скипа перед входом в разгрузочные кривые.

Дотяжка и ход скипа в разгрузочных кривых в режиме 6 выполняются при подключенных статорах электродвигателей к сети 6 кВ 50 Гц и подключенных роторах к сопротивлениям первой ступени ПРКС.

Режим 7 — стопорение обеспечивается наложением механического тормоза ШПМ.

В режимах работы электропривода 1 — 7 в цепи ротора электродвигателей включены сопротивления ПРКС, по которым протекает ток ротора, что приводит к потере мощности, которая тратится на нагрев сопротивлений. Эти потери мощности не создают полезной работы по подъему скипа и являются непроизводительными потерями электроэнергии. В режиме 5 при замедлении скипа с помощью станции динамического торможения происходит дополнительная потеря электроэнергии, которая непроизводительно тратится на нагрев электродвигателей.

1.12.2. Осмотр ствола шахты и осмотр канатов

С помощью ШПМ производится ежедневный осмотр ствола шахты и осмотр канатов ШПМ.

При осмотре ствола и канатов ШПМ работает в следующих режимах:

1) трогание;
2) движение с пониженной скоростью;
3) стопорение.

Усредненные значения технических параметров, характеризующих перечисленные режимы работы ШПМ за цикл осмотра, представлены в Таблице 2.

При осмотре ствола шахты и осмотре канатов действующий электропривод ШПМ работает с пониженными оборотами вала электродвигателей за счет подключения к цепям ротора сопротивлений первой ступени ПРКС. При этом в сопротивлениях ПРКС выделяется значительная мощность, которая непроизводительно расходуется на нагрев роторных сопротивлений.

Таблица 2

2. Расчет непроизводительных потерь электроэнергии действующей ШПМ

2.1. Расчет потерь электроэнергии при подъеме груза

Для расчета непроизводительных затрат электроэнергии действующей ШПМ определены токи и напряжения в цепи ротора электродвигателей в режимах 1 — 7 электропривода, по значениям которых вычислены потери электроэнергии, затрачиваемые на нагрев роторных сопротивлений ПРКС. Результаты расчетов сведены в Таблицу 3. Расчеты выполнены при допущении о непрерывном изменении сопротивлений ПРКС в режиме разгона скипа 3.

Таблица 3

Анализ данных Таблицы 3 показывает, что за один цикл подъема скипа на непроизводительный нагрев роторных сопротивлениях ПРКС затрачивается электроэнергия 12,9 кВт·час. Кроме этого на нагрев электродвигателей в режиме замедления скипа с помощью СДТ дополнительно затрачивается электроэнергия, которую можно ориентировочно определить по следующему соотношению

ПЭ_з = 0,05 · 2 · Р_н · t_з : 3600 = 0,05 · 2 · 800 · 8,45 : 3600= 0,19 кВт·час.

Таким образом, суммарные непроизводительные потери электроэнергии за один цикл подъема скипа составляют

ПЭ_ц = 12,9 + 0,19 = 13,1 кВт·час.

Потери электроэнергии за один час работы ШПМ составляют величину

ПЭ_час = 13,1 * 25 = 327,5 кВт·час.

Потери электроэнергии за день работы ШПМ (18 часов)

ПЭ_день = 327,5 * 18 = 5895 кВт·час.

Потери электроэнергии на одной ШПМ за год (350 рабочих дней)

ПЭ_год = 5895 * 350 = 2063250 кВт·час.

2.2. Расчет потерь электроэнергии при осмотрах ствола шахты и канатов

Результаты расчета потерь электроэнергии за один цикл осмотра приведены в Таблице 4.

Согласно данных Таблицы 4 непроизводительные потери электроэнергии на нагрев роторных сопротивлений ПРКС за один прогон сосуда при осмотре ствола шахты и осмотре канатов составляет 580 кВт·час.

Потери электроэнергии за день работы ШПМ (4 прогона сосуда)

ПЭ_день = 580 * 4 = 2320 кВт·час.

Потери электроэнергии на одной ШПМ за год (350 рабочих дней)

ПЭ_год = 2320 * 350 = 812000 кВт·час.

Таблица 4:

2.3. Суммарные годовые непроизводительные потери электроэнергии в действующем электроприводе ШПМ составляют величину

ПЭ_сум = 2063250 + 812000 = 2875250 кВт·час.

3. Снижение потерь электроэнергии при использовании электропривода «ЭРАТОН-ФР»

Электропривод шахтной подъемной машины типа «ЭРАТОН-ФР» разработки и производства ЗАО «ЭРАСИБ» представляет собой частотно-регулируемый электропривод без датчика положения ротора с транзисторным преобразователем частоты (ПЧ), который устанавливается между ротором каждого электродвигателя и питающей сетью 6 кВ 50 Гц в дополнение к ПРКС и СДТ. Структурная схема электропривода ШПМ с преобразователями частоты «ЭРАТОН-ФР» в роторе электродвигателей показана на рис. 1.

Рисунок 2: Структурная схема электропривода ШПМ с преобразователями «ЭРАТОН-ФР»

При работе шахтной подъемной машины с электроприводом типа «ЭРАТОН-ФР» вся мощность скольжения ротора электродвигателей через преобразователь частоты возвращается в питающую сеть 6 кВ 50 Гц, а не затрачивается на нагрев роторных сопротивлений ПРКС и нагрев электродвигателя при работе СДТ (п.п. 2).

Величину экономии электроэнергии при замене ПРКС и СДТ на электропривод «ЭРАТОН-ФР» можно определить вычтя из суммарных годовых непроизводительных потерь электроэнергии в действующем электроприводе ШПМ (п.п. 2.3) потери электроэнергии в самом преобразователе частоты при передаче мощности скольжения ротора электродвигателей в сеть. При КПД преобразователя частоты 97% экономия электроэнергии составит величину

Э_пч = ПЭ_сум * 0,97 = 2875250 * 0,97 = 2788990 кВт·час.

Кроме того, дополнительный экономический эффект будет достигнут за счет сокращения аварий и поломок оборудования ШПУ за счет использования высокоточного электропривода «ЭРАТОН-ФР», который позволит производить плавный разгон и торможение с точным позиционированием скипа, что исключит удары скипа при ошибках оператора.