Рекуперативные транзисторные преобразователи частоты «ЭРАТОН» в частотно-регулируемом электроприводе многоканатных шахтных подъемных установок


Иванцов В.В., к.т.н., доцент, заместитель генерального директора ЗАО "ЭРАСИБ"                                                               ноябрь 2017 г.

Специалисты ЗАО «ЭРАСИБ» разработали автоматизированный частотно-регулируемый электропривод для двух шахтных подъемных машин вертикального ствола «Скиповой» Навоийского ГМК.

Вертикальный ствол «Скиповой» оснащается двумя многоканатными подъемными установками – двухскиповой установкой и установкой клеть-противовес. Подъемные установки скипового и клетевого подъемов укомплектовываются подъемными машинами (ПМ) типа МПМН-3,25х4 с одинаковым шкивом трения 3,15х4 (диаметр 3,15 м, ширина 4 м).

Скорость движения скипов задана 12 м/с, скорость движения клети – 8 м/с. При диаметре шкива трения 3,15 м номинальная скорость вращения шкива скиповой ПМ составляет 72,8 об/мин, а клетевой ПМ – 48,5 об/мин.

Скиповая подъемная машина оснащается двумя приводными электродвигателями мощностью 1000 кВт каждый, а клетевая машина – двумя приводными электродвигателями мощностью по 500 кВт.

Автоматизированный частотно-регулируемый электропривод может быть поставлен ЗАО «ЭРАСИБ» по одному из следующих вариантов, отличающихся типом и параметрами приводных электродвигателей и преобразователей частоты:

1. Безредукторный высоковольтный частотно-регулируемый электропривод с тихоходными синхронными электродвигателями и высоковольтными транзисторными преобразователями частоты.

При использовании безредукторного привода ПМ валы приводных электродвигателей соединяются непосредственно с валом шкива трения, поэтому максимальная скорость вращения вала электродвигателей равна скорости вращения шкива и составляет 72,8 об/мин для скиповой ПМ и 48,5 об/мин для клетевой ПМ.

При малых оборотах вала в подъемных машинах традиционно применялись тихоходные электродвигатели постоянного тока в комплекте с тиристорными преобразователями в цепях якоря и возбуждения.

Электропривод постоянного тока шахтной подъемной 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 другие потребители;
  • 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 крупные компании горно-добывающей отрасли 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 фильтрокомненсирующих устройств. Электропривод переменного тока позволяет использовать защитное оборудование переменного тока между преобразователем и электродвигателем, стоимость которого существенно ниже стоимости аналогичного оборудования постоянного тока.

С учетом передового опыта построения электроприводов подъемных машин ЗАО «ЭРАСИБ» предлагает к поставке для многоканатных безредукторных подъемных машин комплектный высоковольтный частотно-регулируемый электропривод переменного тока с тихоходными синхронными электродвигателями и рекуперативными высоковольтными транзисторными преобразователями частоты типа «ЭРАТОН-В-Р» собственной разработки и производства. Однолинейная структурная схема электропривода показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Однолинейная структурная схема высоковольтного электропривода ПМ

В качестве приводных тихоходных синхронных электродвигателей предлагаются к поставке синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, либо с обмоткой возбуждения, которые разрабатывают и изготавливают на электромашиностроительном заводе ООО «ЛЭЗ» (г. Санкт-Петербург) и в научно-производственной компании «Энергодвижение» (ООО «НПК «Энергодвижение», г. Санкт-Петербург). Для скиповой ПМ предполагается использовать электродвигатели мощностью 1000 кВт при 72,8 об/мин, номинальное напряжение 6000В, номинальный ток 112А. Для клетевой ПМ применяются синхронные электродвигатели номинальной мощностью 500 кВт при оборотах вала 48,5 об/мин, номинальное напряжение 6000В, номинальный ток 56А.

Для управления электродвигателями скиповой ПМ предлагаются к поставке высоковольтные транзисторные рекуперативные преобразователи частоты типа «ЭРАТОН-В-115-6-60-Р-00-УХЛ3.1» (1200 кВА, 115А, 0-6000В, 0-60 Гц, перегрузка 160%, степень защиты шкафов IP54). Для управления электродвигателями клетевой ПМ предлагаются к поставке преобразователи частоты «ЭРАТОН-В-57-6-60-Р-00-УХЛ3.1» (600 кВА, 57А, 0-6000В, 0-60 Гц, перегрузка 160%, степень защиты IP54).

Преобразователи частоты «ЭРАТОН-В-115-6-60-Р-00-УХЛ3.1» и «ЭРАТОН-В-57-6-60-Р-00-УХЛ3.1» представляют собой высоковольтные (6 кВ) транзисторные (IGBT) рекуперативные многоуровневые преобразователи с высокочастотной синусоидальной ШИМ. Количество последовательно соединенных силовых ячеек в каждой выходной фазе 6 штук, всего в составе ПЧ – 18 штук. Силовая ячейка имеет входной «синусный» фильтр, активный транзисторный выпрямитель, накопительный конденсатор и выходной транзисторный Н-мост. Каждая силовая ячейка запитана от отдельной трехфазной обмотки силового согласующего трансформатора 6/0,69 кВ. За счет входных активных выпрямителей в составе ПЧ обеспечивается рекуперативное торможение электропривода. Многоуровневый ШИМ с шестью последовательными Н-мостами в каждой фазе ПЧ обеспечивает коэффициент гармоник выходного тока менее 2%. Преобразователи частоты «ЭРАТОН-В-115-6-60-Р-00-УХЛ3.1» и «ЭРАТОН-В-57-6-60-Р-00-УХЛ3.1» обеспечивают перегрузку по моменту приводного электродвигателя не менее 1,6 в течение основного разгона и торможения электродвигателя.

Преобразователи частоты «ЭРАТОН-В-115-6-60-Р-00-УХЛ3.1» и «ЭРАТОН-В-57-6-60-Р-00-УХЛ3.1» оснащены цифровыми микропроцессорными системами управления, в которых используются алгоритмы цифрового векторного управления синхронными электродвигателями как с возбуждением от постоянных магнитов, так и с обмоткой возбуждения разработки ЗАО «ЭРАСИБ». Обязательными элементами электропривода с приводными синхронными электродвигателями являются датчики положения вала электродвигателей (абсолютные цифровые энкодеры). Частотно-регулируемые электроприводы с синхронными электродвигателями и преобразователями марки «ЭРАТОН» успешно эксплуатируются на многих производственных объектах и объектах военного назначения, где показали высокую надежность и качество управления.

Конструктивно преобразователь «ЭРАТОН-В-115-6-60-Р-00-УХЛ3.1» для скиповой ПМ выполнен в виде шкафов одностороннего обслуживания со степенью защиты IP54. Общие размеры преобразователя (ШхВхГ) 7800х2400х1200 мм. Масса (ориентировочно) 8 тонн с учетом согласующего трансформатора, входящего в состав преобразователя. Преобразователь «ЭРАТОН-В-57-6-60-Р-00-УХЛ3.1» для клетевой ПМ имеет такие же размеры, но меньшую массу.

Частотно-регулируемый электропривод с синхронными электродвигателями и преобразователями частоты «ЭРАТОН-В-115-6-60-Р-00-УХЛ3.1» и «ЭРАТОН-В-57-6-60-Р-00-УХЛ3.1» имеет высокий КПД, потребляет из сети только активную мощность при синусоидальном входном токе за счет активных входных выпрямителей и входных силовых фильтров, позволяет изменять направление вращения вала электродвигателей без дополнительного контакторного оборудования. Регулируемый электропривод обеспечивает надежную работу в режимах «Груз», «Люди», «Ревизия», и обеспечивает выполнение всех требований по разгону, движению, торможению и остановке сосудов ШПМ по заданной тахограмме подъема.

2. Редукторный частотно-регулируемый электропривод с приводными асинхронными электродвигателями.

Традиционно все подъемные шахтные малые барабанные машины с диаметром барабана до 3,5 м и крупные машины всех типоразмеров с диаметром барабана 4 м изготавливают с редукторным приводом, а с диаметром барабана 5 м и более - как с редукторным, так и с безредукторным приводом. Применение редукторных приводов оправдано тем, что стоимость единицы веса электрических машин в 2-3 раза превышает стоимость единицы веса редуктора. Поэтому целесообразно рассмотреть варианты электропривода подъемных машин с редукторным приводом.

ЗАО «ЭРАСИБ» для машин с редукторным приводом предлагает к поставке три варианта комплектного частотно-регулируемого электропривода с приводными асинхронными электродвигателями производства электромашиностроительных заводов компании РУСЭЛПРОМ и рекуперативными транзисторными преобразователями частоты собственной разработки и производства марки «ЭРАТОН».

При использовании редуктора с типовым коэффициентом передачи 10,5 в скиповой ПМ с номинальной скоростью скипа около 12 м/с необходимо применение асинхронных электродвигателей мощностью не менее 1000 кВт при синхронных оборотах 750 об/мин.

В клетевой ПМ с номинальной скоростью клети около 8 м/с при коэффициенте передачи редуктора 10,5 потребуются асинхронные электродвигатели мощностью 500 кВт при синхронной скорости 500 об/мин.

2.1. Редукторный высоковольтный частотно-регулируемый электропривод с асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором и высоковольтными транзисторными преобразователями частоты.

В качестве приводных высоковольтных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором в скиповой ПМ предлагается использовать асинхронные электродвигатели, которые изготавливаются на базе асинхронных электродвигателей с фазным ротором типа АКН-62-1000-6-750 (1000 кВт, 750 об/мин, 6000В) производства ООО «ЛЭЗ» (г. Санкт-Петербург, компания РУСЭЛПРОМ). Ротор электродвигателей АКН-62-1000-6-750 закорачивается на заводе при изготовлении.

Для клетевой ПМ предлагается использовать асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором для частотно-регулируемого электропривода АДЧР-500-6-500УХЛ1 (500 кВт, 500 об/мин, 6000В), которые изготавливаются на базе электродвигателей ДАЗО-500-6-500УХЛ1 (500 кВт, 500 об/мин, 6000В) производства ООО «ЛЭЗ» (г. Санкт-Петербург, компания РУСЭЛПРОМ).

Для управления высоковольтными (6 кВ) асинхронными электродвигателями скиповой и клетевой ПМ предлагаются к поставке высоковольтные транзисторные рекуперативные преобразователи частоты типа «ЭРАТОН-В-115-6-60-Р-00-УХЛ3.1» и «ЭРАТОН-В-57-6-60-Р-00-УХЛ3.1», которые описаны в п. 1. Однолинейная структурная схема высоковольтного электропривода показана на рисунке 1.

Преобразователи частоты типа «ЭРАТОН-В-115-6-60-Р-00-УХЛ3.1» и «ЭРАТОН-В-57-6-60-Р-00-УХЛ3.1» в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе оснащаются микропроцессорной системой управления, в которой реализован алгоритм векторного управления асинхронным электродвигателем с датчиком положения вала (цифровым энкодером).

Частотно-регулируемый электропривод с высоковольтными асинхронными электродвигателями и преобразователями частоты «ЭРАТОН-В-115-6-60-Р-00-УХЛ3.1» и «ЭРАТОН-В-57-6-60-Р-00-УХЛ3.1» имеет высокий КПД, потребляет из сети только активную мощность при синусоидальном входном токе за счет активных входных выпрямителей и входных силовых фильтров, позволяет изменять направление вращения вала электродвигателей без дополнительного контакторного оборудования. Регулируемый электропривод обеспечивает надежную работу в режимах «Груз», «Люди», «Ревизия», и обеспечивает выполнение всех требований по разгону, движению, торможению и остановке сосудов ШПМ по заданной тахограмме подъема.

2.2. Редукторный низковольтный частотно-регулируемый электропривод с низковольтными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором и низковольтными транзисторными преобразователями частоты.

ЗАО «ЭРАСИБ» предлагает к поставке комплектный частотно-регулируемый электропривод с низковольтными (0,69 кВ) асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором производства ООО «ЛЭЗ» (компания РУСЭЛПРОМ) и низковольтными (0,69 кВ) рекуперативными транзисторными преобразователями частоты типа «ЭРАТОН-М5-Р» собственной разработки и производства. Однолинейная структурная схема электропривода показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Однолинейная структурная схема низковольтного электропривода

На рисунке 2 показаны два понижающих (6/0,69 кВ) трансформатора (Т1, Т2), которые питают низковольтные транзисторные рекуперативные преобразователи частоты типа «ЭРАТОН-М5-Р-3». Выходы преобразователей частоты подключены к статорам асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (М1, М2). Вал каждого электродвигателя через понижающий редуктор соединен с приводным валом барабана ШПМ. Обязательными элементами электропривода ШПМ с приводными АДКЗ являются цифровые датчики положения вала электродвигателей (энкодеры BS1, BS2). Связь преобразователей частоты между собой и с системой управления ШПМ осуществляется через контроллер связи (КС СУ ШПУ).

Частотно-регулируемый электропривод с приводными низковольтными АДКЗ (рисунок 2) имеет высокий КПД, потребляет из сети только активную мощность при синусоидальном входном токе за счет активных входных выпрямителей и входных силовых фильтров, позволяет изменять направление вращения вала электродвигателей без дополнительного контакторного оборудования. Регулируемый электропривод обеспечивает надежную работу в режимах «Груз», «Люди», «Ревизия» и обеспечивает выполнение всех требований по разгону, движению, торможению и остановке сосудов ШПМ по заданной тахограмме с выравниванием загрузки электродвигателей.

В качестве приводных электродвигателей для скиповой ПМ предлагается использовать низковольтные асинхронные электродвигатели типа АДЧР-1000-0,69-750УХЛ4 (1000 кВт, 750 об/мин, 0,69 кВ) производства ООО «ЛЭЗ». Для управления электродвигателями скиповой ПМ ЗАО «ЭРАСИБ» предлагает низковольтные (0,69 кВ) рекуперативные транзисторные преобразователи частоты типа «ЭРАТОН-М5-1000-Р-3» (1000 кВт, 0-0,69 кВ, 0-60 Гц, перегрузка 160%) собственной разработки и производства в комплекте с силовыми согласующими трансформаторами.

Для клетевой ПМ предлагается использовать низковольтные асинхронные электродвигатели типа АЧРО-500-0,69-500УХЛ4 (500 кВт, 500 об/мин, 0,69 кВ) производства ООО «ЛЭЗ». Для управления электродвигателями клетевой ПМ ЗАО «ЭРАСИБ» предлагает низковольтные (0,69 кВ) рекуперативные транзисторные преобразователи частоты типа «ЭРАТОН-М5-500-Р-3» (500 кВт, 0-0,69 кВ, 0-60 Гц, перегрузка 160%) собственной разработки и производства в комплекте с силовыми согласующими трансформаторами.

3. Частотно-регулируемый электропривод с высоковольтными асинхронными электродвигателями с фазным ротором и транзисторными преобразователями частоты в статоре и роторе электродвигателей.

В редукторных шахтных подъемных машинах (ПМ) с приводными электродвигателями мощностью до 1250 кВт традиционно применяются высоковольтные асинхронные электродвигатели с фазным ротором (АДФР). ЗАО «ЭРАСИБ» предлагает к поставке высоковольтный частотно-регулируемый электропривод с приводными асинхронными электродвигателями с фазным ротором производства ООО «ЛЭЗ» (компания РУСЭЛПРОМ) и высоковольтными рекуперативными транзисторными преобразователями частоты «ЭРАТОН-В-Р» в статоре электродвигателя и «ЭРАТОН-ФР» в роторе электродвигателя.

Структурная схема электропривода с асинхронными электродвигателями с фазным ротором и преобразователями частоты в статоре и роторе показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Однолинейная структурная схема электропривода с приводными высоковольтными электродвигателями с фазным ротором

Высоковольтный асинхронный электродвигатель с фазным ротором (АДФР) при питании обмотки статора от преобразователя частоты «ЭРАТОН-В-Р» с выходным напряжением 3 кВ 25 Гц и включении в цепь ротора рекуперативного транзисторного преобразователя частоты (ПЧ) типа «ЭРАТОН-ФР» представляет собой управляемую машину двойного питания (УМДП), которая обеспечивает частотное регулирование скорости вала от нуля до синхронной скорости с постоянным моментом без датчика положения вала. Частотное регулирование скорости АДФР осуществляется роторным преобразователем «ЭРАТОН-ФР» по алгоритмам векторного управления без датчика положения вала, а статорный преобразователь работает в режиме рекуперативного источника ЭДС 3 кВ 25 Гц с реверсом фаз в паузах между подъемами сосудов ПМ.

Для регулирования скорости вала от нуля до синхронной скорости АДФР роторный ПЧ «ЭРАТОН-ФР» уменьшает частоту выходного напряжения от частоты, равной частоте напряжения статора (25 Гц) до нуля с последующим повышением частоты от нуля до частоты, равной разности частот сети (50 Гц) и частоты статорного ПЧ (25 Гц) с реверсом фаз при нулевой частоте. Для изменения направления вращения вала АДФР статорный ПЧ производит бесконтактный реверс фаз напряжения статора с переходом через нулевое значение при нулевой скорости вала в паузе между подъемами груза ШПМ.

Регулирование скорости АДФР осуществляется с высоким КПД (97%), высоким коэффициентом мощности (0,95 – 1,0) при синусоидальной форме тока в питающей сети. Электропривод с АДФР и ПЧ «ЭРАТОН-ФР» обеспечивает высокое быстродействие регулирования момента и скорости вала в двигательном и тормозном режимах за счет обеспечения большой перегрузочной способности по моменту двигателя (до 200% к номинальному). Торможение электропривода с ПЧ «ЭРАТОН-ФР» осуществляется с рекуперацией энергии вращающихся масс в питающую сеть.

При установке двух преобразователей частоты в статор и ротор АДФР (рисунок 3) номинальное напряжение и частота каждого ПЧ снижаются по сравнению с установкой одного ПЧ в статор, или в ротор АДФР. Ток статора и ротора АДФР определяется требуемым моментом электродвигателя и не меняется по сравнению с установкой одного ПЧ в статор, или ротор АДФР. За счет этого суммарная установленная мощность двух преобразователей в статоре и роторе АДФР остается такой же величины, как и установленная мощность одного преобразователя в статоре или роторе АДФР.

В электроприводе с двумя преобразователями частоты в статоре и роторе обеспечивается управление моментом АДФР при нулевой и малой скорости вала без датчика положения вала (энкодера), поскольку регулирование момента электродвигателя на нулевой и малой скорости вала осуществляется при достаточно большой частоте напряжения статора и ротора АДФР (например, при частоте 25 Гц). Способность регулировать момент электродвигателя с высокой точностью на малых скоростях вала без датчика положения обеспечивает существенные преимущества при прочих равных условиях перед электроприводом с короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями и статорными преобразователями, которые не могут обеспечить высокое качество управления моментом и скоростью двигателя при нулевой и малой скорости даже с датчиком положения вала. При этом УМДП обеспечивает практически бесконечный диапазон регулирования скорости вала (от нуля до синхронной скорости АДФР) с высокой управляемостью моментом и скоростью электродвигателя, а также бесконтактный реверс направления вращения вала АДФР.

В качестве приводных электродвигателей с фазным ротором в частотно-регулируемом электроприводе скиповой ПМ (рисунок 3) предлагается использовать электродвигатели типа АКН-62-1000-6-750 (1000 кВт, 750 об/мин, 6000В) производства ООО «ЛЭЗ» (г. Санкт-Петербург, компания РУСЭЛПРОМ). В статор электродвигателей АКН-62-1000-6-750 предлагается установить высоковольтные рекуперативные транзисторные преобразователи частоты «ЭРАТОН-В-115-3-25-Р-00-УХЛ3.1» (500 кВт, 3 кВ, 25 Гц, 115 А, перегрузка 160%), а в ротор рекуперативные роторные преобразователи «ЭРАТОН-ФР-500» (500 кВт, ±25 Гц).

В электроприводе скиповой ПМ предлагается применить электродвигатели с фазным ротором типа АКН-62-500-6-500 (500 кВт, 500 об/мин, 6000В) производства ООО «ЛЭЗ» (г. Санкт-Петербург, компания РУСЭЛПРОМ). В статор электродвигателей АКН-62-500-6-500 предлагается установить высоковольтные рекуперативные транзисторные преобразователи частоты «ЭРАТОН-В-57-3-25-Р-00-УХЛ3.1» (250 кВт, 3 кВ, 25 Гц, 57 А, перегрузка 160%), а в ротор рекуперативные роторные преобразователи «ЭРАТОН-ФР-250» (250 кВт, ±25 Гц).

Система управления электроприводом, заложенная во всех описанных выше преобразователях частоты, разработана с учетом особенностей многоканатной подъемной машины со шкивом трения, которые заключаются в отсутствии жесткой кинематической связи между шкивом трения и канатами. Эта особенность может приводить к проскальзыванию канатов по шкиву трения, пробуксовке шкива относительно канатов и колебанию канатов с угрозой аварии ШПМ.

Проскальзывания и колебания в канатах возникают при ступенчатом или резком изменении момента на шкиве трения. Поэтому разработанная ЗАО «ЭРАСИБ» система управления исключает «рывки» электромагнитного момента на валу электродвигателя за счет реализации следующих функций:

  1. Система управления формирует S-образную тахограмму разгона электродвигателя с плавным изменением во времени электромагнитного момента электродвигателей.
  2. В системе регулирования применены адаптивные регуляторы с изменяемыми коэффициентами передачи в функции времени и скорости.
  3. Применена интеллектуальная установка начальных условий регулятора скорости.

Разработанная система регулирования реализована в электроприводе многоканатной подъемной машины, который ЗАО «ЭРАСИБ» поставил в АО «Дальполиметалл» в 2017 году, где система регулирования электропривода обеспечила высокую точность управления сосудами ШПМ без противохода сосудов и без колебаний канатов.

Таким образом, в зависимости от приоритетов заказчика, ЗАО «ЭРАСИБ» имеет законченные разработки и готово поставлять частотно-регулируемый электропривод на скиповые и клетевые подъемные машины по одному из четырех описанных выше вариантов.