Комплектный электропривод для безредукторной многоканатной подъёмной установки МК 5х4


Специалисты ЗАО «ЭРАСИБ» разработали два варианта комплектного электропривода для модернизации безредукторной многоканатной подъёмной установки шахты «Эксплуатационная» ПАО «Гайский ГОК» (ООО «УГМК-Холдинг»).

На шахте «Эксплуатационная» работает клетевая шахтная подъемная установка МК 5х4 со следующими характеристиками и параметрами:

  • Тип оборудования – многоканатная подъёмная машина.
  • Назначение подъёма – грузо-людской подъем.
  • Схема подъема – клеть-противовес.
  • Высота подъема – 1410 м.
  • Высота оси подъемной машины – 69,89 м.
  • Отвес головного каната – 1459,89 м.

  1. Параметры подъемной машины (ПМ)
    1. Тип ПМ – многоканатная с безредукторным приводом.
    2. Диаметр канатоведущего шкива – 5 м.
    3. Диаметр отклоняющего шкива – 3 м.
    4. Максимальная скорость подъема – 12,0 м/с.
    5. Средняя скорость подъема (расчетная) – 10,5 м/с.
    6. Максимальное ускорение (замедление), не более 0,75 м/с².
    7. Максимальные обороты шкива трения – 46 об/мин.
    8. Количество подъемов в час – 11.

  2. Параметры канатов
    1. Количество головных канатов – 4 шт.
    2. Диаметр головных канатов – 50,5 мм.
    3. Масса одного погонного метра каната – 9,94 кг.
    4. Уравновешивающий канат – плоский резинотросовый.
    5. Количество уравновешивающих канатов – 3 шт.
    6. Масса одного погонного метра уравновешивающего каната – 12,45 кг.
  3. Параметры подъемного сосуда (ПС)
    1. Тип ПС – клеть шахтная двухэтажная.
    2. Грузоподъемность клети – 14,5 т.
    3. Масса клети с прицепным устройством – 21,5 т.
    4. Максимальная концевая нагрузка – 36 т.
    5. Масса противовеса – 29 т.
  4. Характеристика существующей системы привода
    1. Приводные электродвигатели постоянного тока П2К-1000-213-4-УХЛ – 2 шт.
    2. Силовые преобразовательные трансформаторы ТСЗП-1600/6У3 – 2 шт.
    3. Тиристорные преобразователи ТПРЗ-1600/625 Т-42-4У4 (ХЭМЗ) – 2 шт.
    4. Возбудители электродвигателей КТЭУ 2500/600-1358314-100Р-УХЛ4 – 2 шт.
    5. Линейный контактор КП 207.
    6. Автомат главного тока ВАТ-42 – 2 шт.
    7. Пульт управления подъемной машиной ПШПМ – 1 шт.
    8. Релейно-контакторная станция управления СУ – 1 шт.

Техническое перевооружение клетевой шахтной подъемной установки МК 5х4 предусматривает замену существующего устаревшего оборудования системы электропривода и управления на новое оборудование.

Объем поставки новых элементов электропривода должен включать:

  1. Приводные электродвигатели.
  2. Преобразователи цепи якоря.
  3. Силовые трансформаторы.
  4. Преобразователи цепи возбуждения.
  5. Разделительный трансформатор для питания преобразователя возбуждения.
  6. Реакторы силовой цепи.
  7. Автоматы главного тока.
  8. Разъединители силовой цепи и цепи возбуждения.
  9. Фильтро-компенсирующее пассивное устройство (ФКУ).

ФКУ должно обеспечивать минимальную генерацию реактивной мощности и полную компенсацию токов гармоник. ФКУ необходимо подключить к РУ-6 кВ, от которого питаются силовые трансформаторы привода.

Для шахтной подъемной машины (ШПМ) МК5х4 ПАО «Гайский ГОК» шахта «Эксплуатационная» ЗАО «ЭРАСИБ» предложило поставить комплектный электропривод по одному из двух вариантов.

Вариант 1. Комплектный электропривод постоянного тока

Однолинейная схема электропривода ШПМ с двумя приводными электродвигателями постоянного тока и комплектом электрооборудования представлена на рисунке 1.

В комплект поставки входит:

  • электродвигатель постоянного тока типа П2Ш-630-213-4КУХЛ4 - 2 шт.;
  • тиристорные преобразователи «ЭПТОН-М-2000» с возбудителями – 2 шт.;
  • силовые согласующие трансформаторы мощностью 1600 кВА (Т1, Т2) – 2 шт.;
  • сглаживающий дроссель (L1…L4) – 4 шт.;
  • согласующие трансформаторы цепей возбуждения (Т3, Т4) – 2 шт.;
  • контролер связи системы управления ШПМ (КС СУ ШПМ) – 1 шт.;
  • выключатель автоматический ВАТ-УЭТМ-49-3200/6 (QF1, QF2) – 2 шт.;
  • линейный контактор КП-207 (К1, К2) – 2 шт.

Преобразователь постоянного тока «ЭПТОН-М-2000» для питания цепи якоря представляет собой реверсивный тиристорный преобразователь с раздельным управлением комплектами, выполнен по схеме 12-ти пульсного выпрямителя. Для обеспечения приемлемого уровня пульсации тока якоря используются сглаживающие дроссели (L). Питание преобразователей постоянного тока осуществляется от силовых согласующих трансформаторов (Т1, Т2). Согласующие трансформаторы Т1 и Т2 имеют две группы трехфазных вторичных обмоток, обеспечивают гальваническую развязку и понижают напряжение промышленной сети 6 кВ до уровня необходимого для работы «ЭПТОН-М-2000». Для защиты тиристоров используются быстродействующие предохранители (FU1- FU4). В состав «ЭПТОН-М-2000» входят ограничители перенапряжения (FV) и устройства контроля изоляции (A). Для питания обмотки возбуждения используется нереверсивный преобразователь постоянного тока, выполненный по схеме 6-ти пульсного выпрямителя, который питается от сети 3˟380 В, 50 Гц через согласующие трансформаторы (Т3 и Т4).

* в комплект поставки не входят

Рисунок 1 – Однолинейная схема электропривода постоянного тока ШПМ МК 5х4.

Система управления «ЭПТОН-М-2000» построена на основе цифрового сигнального процессора (DSP), который реализует алгоритмы управления электродвигателем постоянного тока. Внешнее управление «ЭПТОН-М-2000» может осуществляться дистанционно аналоговыми, дискретными или цифровыми сигналами (протокол связи Modbus-RTU, интерфейс RS-485). Согласование внешней системы управления ШПМ и преобразователя постоянного тока осуществляется с помощью КС СУ ШПМ.

Для предотвращения аварийных ситуаций в «ЭПТОН-М-2000» реализованы следующие защиты: от повышенного/пониженного напряжения сети; максимально и интегрально токовая; от обрыва входных/выходных силовых фаз, тепловая. Для защиты якорной цепи от токов короткого замыкания дополнительно используются быстродействующие автоматические выключатели типа ВАТ-49. Для отключения якорной цепи в аварийных режимах работы и при простоях ШПМ используется линейный контактор (К1, К2).

Электродвигатели постоянного тока с П2Ш-630-213-4КУХЛ4 с тиристорными преобразователями «ЭПТОН-М-2000» обеспечивают подъём клети с максимальным грузом 14500 кг с глубины 1410 м за 153 секунды. Основные параметры ШПМ при подъёме груза 14500 кг с максимальной скоростью 12 м/с с глубины 1410 м приведены в Таблице1.

Таблица 1

н раз к раз н дв к дв н раз к раз н дв к дв н зам к зам н дв к дв н ст к ст
t, c 0 3 3 8 8 23 23 125 125 140 140 150 150 153
Δt, c 3 4 15 102 15 10 3
a, м/с² 0,15 0,15 0 0 0,75 0,75 0 0 -0,75 -0,75 0 0 -0,15 -0,15
V, м/с 0 0,5 0,5 0,5 0,5 12 12 12 12 0,5 0,5 0,5 0,5 0
ΔS, м 1 2 88 1225 88 5 1
S, м 0 1 1 3 3 91 91 1316 1316 1404 1404 1409 1409 1410
Fдин, кН 32 32 0 0 160 160 0 0 -160 -160 0 0 -32 -32
Fстат, кН 112 112 112 112 112 108 108 50 50 46 46 46 46 46
FΣ, кН 144 144 112 112 272 268 108 50 -110 -114 46 46 14 14
P шк тр, кВт 0 72 56 56 136 3215 1296 601 -1318 -57 23 23 7 0
P в д, кВт 0 36 28 28 68 1607 648 300 -659 -28 11 11 3 0
Mд, кНм 180 180 140 140 340 335 135 63 -137 -142 57 57 17 17
P вх пч, кВт 0 38 30 30 72 1710 689 320 -701 -30 12 12 4 0
S вх пч, кВА 1237 1236 962 961 2332 2296 926 429 941 977 393 392 117 117

При работе ШПМ с приводными электродвигателями постоянного тока и тиристорными преобразователями из питающей сети каждый преобразователь потребляет активную мощность Рвх пч (Таблица 1) и реактивную мощность. Полная мощность S вх пч (Таблица 1), потребляемая каждым преобразователем из питающей сети, существенно превышает потребляемую активную мощность Р вх пч за счет потребления значительной реактивной мощности. Суммарная потребляемая активная мощность двухдвигательного электропривода за цикл подъема груза составляет величину 660 кВт. Суммарная потребляемая полная мощность двухдвигательного электропривода за цикл подъема груза составляет величину 1440 кВА, что в 2,2 раза больше потребляемой активной мощности. При этом в фазах питающей сети протекает несинусоидальный ток, что требует установки дополнительных фильтрокомпенсирующих устройств для улучшения формы тока в питающей сети.

Вариант 2. Комплектный электропривод переменного тока

ЗАО «ЭРАСИБ» предложило к поставке для безредукторной подъёмной машины МК 5х4 комплектный электропривод переменного тока с тихоходными синхронными электродвигателями, альтернативный по отношению к варианту электропривода постоянного тока.

Электропривод постоянного тока шахтной подъёмной машины с тиристорными преобразователями имеет существенные недостатки:

  • из питающей сети потребляется значительная реактивная мощность;
  • входные токи тиристорного преобразователя частоты содержат высшие гармонические составляющие, отрицательно влияющие на питающую сеть и других потребителей;
  • потребляемая реактивная мощность и высшие гармоники входного тока требуют установки более мощных согласующих трансформаторов, повышающих цену оборудования;
  • для компенсации реактивной мощности и снижения влияния высших гармоник входного тока требуется установка дорогостоящих фильтрокомпенсирующих устройств;
  • между тиристорными преобразователями и электродвигателями постоянного тока необходимо устанавливать дорогостоящее коммутационное оборудование постоянного тока, стоимость которого сопоставима со стоимостью преобразователей частоты, что существенно повышает финансовые затраты.

Перечисленные недостатки электропривода постоянного тока ШПМ приводят к существенному повышению стоимости поставляемого оборудования, поэтому в настоящее время ряд компаний, например, АО «Уралкалий», отказываются от электроприводов постоянного тока и устанавливают на безредукторных ШПМ электроприводы переменного тока с тихоходными синхронными электродвигателями и рекуперативными преобразователями частоты на базе инверторов напряжения. Такой электропривод устраняет практически все недостатки тиристорного электропривода постоянного тока и обеспечивает потребление из сети только активной мощности с высоким КПД при синусоидальном входном токе. Это позволяет использовать согласующие силовые трансформаторы меньшей мощности и стоимости, а также обеспечивает высокое качество электроэнергии в питающей сети без установки дополнительных фильтрокомпенсирующих устройств. Электропривод переменного тока позволяет использовать защитное оборудование переменного тока между преобразователем и электродвигателем, стоимость которого существенно ниже стоимости аналогичного оборудования постоянного тока.

Однолинейная структурная схема электропривода переменного тока для ШПМ типа МК 5х4 показана на рисунке 2. В состав электропривода переменного тока входит:

  • синхронные тихоходные электродвигатели (М1, М2);
  • рекуперативные транзисторные преобразователи типа «ЭРАТОН-В»;
  • контроллер связи системы управления ШПМ (КС СУ ШПМ);
  • возбудители синхронных электродвигателей типа «ЭПТОН-М-300»;
  • трансформатор питания возбудителей (Т3, Т4);
  • шкаф коммутационной аппаратуры (ШКА).

* в комплект поставки не входят

Рисунок 2 – Однолинейная схема электропривода переменного тока ШПМ МК 5х4

В качестве тихоходных синхронных электродвигателей, заменяющих электродвигатели постоянного тока, предлагается использовать синхронные электродвигатели типа СДМЗ производства ООО «НПО Ленинградский электромашиностроительный завод» (НПО ЛЭЗ). Возможно применение следующих электродвигателей, удовлетворяющих требуемым параметрам ШПМ типа МК 5х4:

1. Электродвигатель типа СДМЗ2-21-67-40УХЛ4
Номинальная мощность 3150 кВт и номинальное напряжение статора 6000В при номинальных оборотах 150 об/мин, номинальный ток 350А, номинальный момент 200 кНм, КПД 95,9%, масса 38 тонн.

2. Электродвигатель типа СДМЗ2-22-41-60УХЛ4
Номинальная мощность 2000 кВт и номинальное напряжение статора 6000В при номинальных оборотах 100 об/мин, номинальный ток 226А (звезда), номинальный момент 191 кНм, КПД 94,3%, масса 45,5 тонн.

Рассмотрим работу электропривода переменного тока подъемной машины МК 5х4 (рисунок 2) с синхронными электродвигателями типа СДМЗ2-21-67-40УХЛ4 (3150 кВт, 150 об/мин, номинальный момент 200 кНм).

Электродвигатель СДМЗ2-21-67-40УХЛ4 рассчитан на номинальные обороты 150 об/мин. Максимальные обороты электродвигателя в подъемной машине МК 5х4 составляют величину 46 об/мин, что меньше номинальных оборотов электродвигателя в 150/46=3,26 раза. При максимальных оборотах электродвигателя СДМЗ2-21-67-40УХЛ4 в подъемной машине МК 5х4, равных 46 об/мин, напряжение статора электродвигателя должно быть снижено пропорционально оборотам до величины 6000/3,26=1840В, а частота подводимого трехфазного напряжения также должна быть снижена с 50 Гц до 50/3,26=15,3 Гц. Таким образом, высоковольтный преобразователь частоты «ЭРАТОН-В», питающий электродвигатель СДМЗ2-21-67-40УХЛ4, при максимальных оборотах барабана ШПМ МК 5х4, равных 46 об/мин, должен формировать трехфазное линейное напряжение не менее 1840В (при соединении обмоток статора в звезду) с частотой 15,3 Гц. Также преобразователь «ЭРАТОН-В» должен быть рассчитан на номинальный ток электродвигателя 350А и перегрузку по току в течение разгона электродвигателя до максимальных оборотов. Расчетное значение коэффициента перегрузки по току электродвигателя при движении ШПМ с максимальным ускорением 0,75 м/с² (разгон электродвигателя) равно 1,7 в течение 15 сек. ПЧ «ЭРАТОН-В» должен формировать ток при разгоне электродвигателя СДМЗ2-21-67-40УХЛ4 не менее 350*1,7=595А в течение 15 сек.

Указанным выше требованиям соответствует высоковольтный транзисторный преобразователь частоты типа «ЭРАТОН-В-350-2-15,5-Р-00-УХЛ3.1» производства ЗАО «ЭРАСИБ» (номинальный ток 350А, номинальное напряжение 2 кВ, номинальная выходная частота 15,5 Гц, перегрузка по току 1,7 в течение 15 секунд). Преобразователь частоты «ЭРАТОН-Р-350-2-15,5-Р-00-УХЛ3.1» представляет собой многоуровневый рекуперативный транзисторный инвертор напряжения с многозонной синусоидальной широтно-импульсной модуляцией. Система управления преобразователя цифровая микропроцессорная. В состав преобразователя «ЭРАТОН-В-350-2-15,5-Р-00-УХЛ3.1» входит согласующий трансформатор мощностью 1000 кВА с системой гальванически несвязанных вторичных обмоток, активные транзисторные выпрямители с входными LC-фильтрами и выходными накопительными конденсаторами и выходные транзисторные Н-мосты. За счет активных выпрямителей с входными LC-фильтрами преобразователь частоты «ЭРАТОН-В-350-2-15,5-Р-00-УХЛ3.1» обеспечивает в сети синусоидальный ток без реактивной составляющей. В двигательном режиме из сети потребляется только активная мощность, реактивная мощность не потребляется. При рекуперативном торможении электропривода активная мощность с вала через преобразователь с активными входными выпрямителями возвращается в питающую сеть также без потребления из сети реактивной мощности.

Синхронные электродвигатели СДМЗ2-21-67-40УХЛ4 с преобразователями частоты «ЭРАТОН-В-350-2-15,5-Р-00-УХЛ3.1» в статоре обеспечивают подъем клети с максимальным грузом 14500 кг с глубины 1410 м за 153 секунды. Основные параметры ШПМ при подъёме груза 14500 кг с максимальной скоростью 12 м/с с глубины 1410 м приведены в Таблице 2. Близкие к расчетным параметрам (Таблица 2) обеспечивает электропривод с приводными электродвигателями типа СДМЗ2-22-41-60УХЛ4 (2000 кВт при 100 об/мин, 191 кНм) и транзисторными преобразователями частоты типа «ЭРАТОН-В-400-1,75-23-Р-00-УХЛ3.1» (обмотки статора электродвигателей соединены в треугольник, максимальная частота напряжения ПЧ 23 Гц при оборотах барабана 46 об/мин).

Таблица 2

н раз к раз н дв к дв н раз к раз н дв к дв н зам к зам н дв к дв н ст к ст
t, c 0 3 3 8 8 23 23 125 125 140 140 150 150 153
Δt, c 3 4 15 102 15 10 3
a, м/с² 0,15 0,15 0 0 0,75 0,75 0 0 -0,75 -0,75 0 0 -0,15 -0,15
V, м/с 0 0,5 0,5 0,5 0,5 12 12 12 12 0,5 0,5 0,5 0,5 0
ΔS, м 1 2 88 1225 88 5 1
S, м 0 1 1 3 3 91 91 1316 1316 1404 1404 1409 1409 1410
Fдин, кН 32 32 0 0 160 160 0 0 -160 -160 0 0 -32 -32
Fстат, кН 112 112 112 112 112 108 108 50 50 46 46 46 46 46
FΣ, кН 144 144 112 112 272 268 108 50 -110 -114 46 46 14 14
P шк тр, кВт 0 72 56 56 136 3215 1296 601 -1318 -57 23 23 7 0
P в д, кВт 0 36 28 28 68 1607 648 300 -659 -28 11 11 3 0
Mд, кНм 180 180 140 140 340 335 135 63 -137 -142 57 57 17 17
P вх пч, кВт 0 38 30 30 72 1710 689 320 -701 -30 12 12 4 0

При работе ШПМ с приводными электродвигателями переменного тока и рекуперативными транзисторными преобразователями частоты типа «ЭРАТОН-В» из питающей сети потребляется только активная мощность. Каждый преобразователь двухдвигательного электропривода потребляет из питающей сети активную мощность Рвх пч (Таблица 2). Суммарная потребляемая активная мощность двухдвигательного электропривода за цикл подъема груза составляет величину 660 кВт, что в 2,2 раза меньше потребляемой полной мощности двухдвигательного электропривода постоянного тока (Вариант 1). При этом в фазах питающей сети протекает синусоидальный ток, не требующий установки дополнительных фильтрокомпенсирующих устройств.

При использовании приводных электродвигателей типа СДМЗ2-21-67-40УХЛ4 (3150 кВт при 150 об/мин) в комплект поставки входит следующее оборудование производства ЗАО «ЭРАСИБ»:

  1. ПЧ «ЭРАТОН-В-350-2-15,5-Р-00-УХЛ3.1» - 2 шт.
  2. Возбудители «ЭПТОН-М-300» - 2 шт.
  3. Трансформатор питания возбудителей ТСЗ-100-6/0,11 - 2 шт.
  4. Шкаф с выходными контакторами ШВК-630 - 1 шт.

Стоимость комплектного электропривода переменного тока (электродвигатели переменного тока СДМЗ2-21-67-40УХЛ4 производства ООО «ЛЭЗ» и комплект оборудования с преобразователями частоты производства ЗАО «ЭРАСИБ») на 15% ниже стоимости комплектного электропривода постоянного тока, даже без учета стоимости ФКУ, который необходим в комплектном электроприводе постоянного тока.

Таким образом, для шахтной подъемной установки МК 5х4 с тихоходным безредукторным электроприводом целесообразно применить комплектный частотно-регулируемый электропривод переменного тока с тихоходными синхронными электродвигателями типа СДМЗ производства ООО «НПО ЛЭЗ» (РУСЭЛПРОМ) и рекуперативными высоковольтными транзисторными преобразователями частоты типа «ЭРАТОН-В» производства ЗАО «ЭРАСИБ».