Синхронный частотно-регулируемый электропривод для шахтных подъемных машин
ЗАО «ЭРАСИБ» разработало и поставляет рекуперативные транзисторные IGBT-преобразователи частоты типа «ЭРАТОН-В-Р» для частотно-регулируемого электропривода шахтных подъемных машин (ШПМ) с тихоходными синхронными электродвигателями номинальной мощности до 6000 кВт при номинальном напряжении статора 6 кВ, 3,3 кВ и 1,15 кВ.
Упрощенная структурная схема силовых цепей двухдвигательного электропривода шахтной подъемной машины с тихоходными синхронными электродвигателями показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема силовых цепей электропривода ШПМ
Силовые цепи двухдвигательного частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП) подъемной машины содержат два приводных тихоходных синхронных электродвигателя (СД1, СД2) с датчиками положения вала (энкодерами), два рекуперативных транзисторных преобразователя частоты типа «ЭРАТОН-В-Р», два возбудителя синхронных двигателей (В1, В2), которые запитаны от согласующих трансформаторов (ТрВ1, ТрВ2) и питают обмотки возбуждения двигателей, а также высоковольтную коммутационную аппаратуру (высоковольтные ячейки ВЯ1,…,ВЯ6). Управление электроприводом производится по командам, поступающим из системы автоматизированного управления и контроля подъемной машиной (САУК ПМ). Возбудители управляются по командам и сигналам, поступающим из систем управления преобразователей частоты (СУ ПЧ).
Преобразователи частоты для электродвигателей с напряжением статора 6 кВ
Структурная схема силовой части частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП) с тихоходным синхронным электродвигателем номинального напряжения статора 6 кВ и преобразователем частоты «ЭРАТОН-В-Р» показана на рисунке 2. На рисунке 3 показана структурная схема силового блока (силовой ячейки) рекуперативного транзисторного преобразователя частоты типа «ЭРАТОН-В-Р».
Рисунок 2. Структурная схема силовых цепей ЧРЭП с «ЭРАТОН-В-Р» на 6 кВ
Рисунок 3. Структурная схема силового блока (ячейки) преобразователя «ЭРАТОН-В-Р»
Преобразователь частоты «ЭРАТОН-В-Р» на выходное напряжение 6 кВ (рисунок 2) представляет собой высоковольтный транзисторный (IGBT) рекуперативный многоуровневый (тринадцать уровней) преобразователь с высокочастотной синусоидальной ШИМ. Количество последовательно соединенных силовых блоков (СБ) в каждой выходной фазе 6 штук, всего в составе ПЧ – 18 силовых блоков. Каждый силовой блок (СБ1А…СБ6С) запитан от отдельной вторичной трехфазной обмотки силового трансформатора (Тр1).
В состав каждого силового блока (рисунок 3) входит «синусный» LC-фильтр, активный транзисторный выпрямитель, накопительный конденсатор (С), выходной инвертор (транзисторный Н-мост), устройство (ЭБ) электронного байпаса (закорачивания) выхода 1 и 2 силового блока и устройство предварительного заряда накопительного конденсатора (на схеме не показано).
Активный выпрямитель силового блока (рисунок 3) представляет собой транзисторный преобразователь частоты с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией, который преобразует трехфазное напряжение вторичной обмотки трансформатора Тр1 в постоянное стабилизированное напряжение на накопительном конденсаторе С. Активный выпрямитель обеспечивает передачу активной мощности в двух направлениях – от трансформатора Тр1 в цепь постоянного тока силового блока и обратно. Активный выпрямитель также может регулировать величину и характер реактивной мощности на входе силового блока, а именно может потреблять реактивную мощность из сети, генерировать реактивную мощность в сеть, либо обеспечивать равенство нулю реактивной мощности в сети 50 Гц. Входной LC-фильтр силового блока подавляет высокочастотные пульсации модулированного высокой частотой входного трехфазного напряжения активного выпрямителя и не пропускает их в питающую сеть, обеспечивая тем самым синусоидальный входной ток силового блока и обмоток трансформатора Тр1.
Инвертор силового блока за счет синусоидальной широтно-импульсной модуляции на высокой несущей частоте преобразует постоянное напряжение накопительного конденсатора в переменное напряжение с регулируемой амплитудой и частотой основной гармоники. Частота основной гармоники выходного напряжения каждого силового блока равна требуемой частоте напряжения статора приводного синхронного электродвигателя в данный момент времени. Каждый силовой блок может сформировать на своем выходе переменное напряжение с действующим значением первой гармоники до 0,69 кВ. Шесть последовательно соединенных силовых блоков в каждой выходной фазе преобразователя частоты (например, СБ1А,…, СБ6А в выходной фазе А) формируют совпадающие по фазе основные гармоники напряжения, что увеличивает в шесть раз основную гармонику выходного фазного напряжения преобразователя, которая при напряжении сети 6 кВ и максимальной глубине ШИМ-модуляции может достигать уровня 0,69*6 = 4,14 кВ. Это соответствует максимальному линейному выходному напряжению преобразователя частоты 4,14*1,73 = 7,16 кВ, что превышает номинальное напряжение электродвигателя (6 кВ) на 19%. Такой запас по величине линейного выходного напряжения необходим для обеспечения динамических показателей и обеспечении работы электропривода ШПМ при возможном выходе из строя части силовых блоков преобразователя.
Несущие высокочастотные напряжения в выходных инверторах силовых блоков каждой выходной фазы преобразователя сдвинуты относительно друг друга, что приводит к уменьшению пульсаций выходного напряжения преобразователя частоты, приближая его к синусоидальному напряжению основной гармоники выходного напряжения. Многоуровневый ШИМ с шестью последовательными Н-мостами в каждой фазе ПЧ обеспечивает коэффициент гармоник выходного тока в номинальном режиме менее 2%.
Выходной инвертор каждого силового блока, как и входной активный выпрямитель, обеспечивает передачу активной мощности в двух направлениях – из звена постоянного тока силового блока в статор электродвигателя в двигательном режиме и обратно в генераторном (тормозном) режиме. За счет передачи активной мощности от электродвигателя в питающую сеть обеспечивается рекуперативное торможение электропривода с возвратом активной мощности с вала электродвигателя в питающую сеть, что необходимо в режимах рекуперативного торможения сосудов ШПМ, перегона сосудов и осмотра ствола шахты.
За счет соответствующего выбора элементной базы силовых блоков и трансформатора Тр1 преобразователь частоты обеспечивает заданную перегрузку по моменту приводного электродвигателя в течение основного разгона и торможения электродвигателя, а также заданный момент и скорость электродвигателя при движении на всех участках тахограммы движения сосудов ШПМ.
Силовые блоки преобразователя частоты могут шунтироваться устройствами электронного байпаса (ЭБ) для закорачивания вышедшего из строя силового блока. Байпас неисправных блоков может выполняться без остановки сосудов ШПМ и без снятия высокого напряжения 6 кВ 50 Гц, либо с предварительной остановкой ШПМ и снятием высокого напряжения. После байпаса одного неисправного блока в фазе преобразователя ШПМ может продолжить работу с сохранением номинальной скорости и перегрузочной способности по току и моменту электродвигателей. При выходе из строя нескольких силовых блоков перегрузочная способность по току и моменту не снижается, но достижимая скорость движения скипов может снизиться при сохранении работоспособности ШПМ.
Управление возбуждением синхронного двигателя (рисунок 2) осуществляется от тиристорного преобразователя постоянного тока по трехфазной мостовой нереверсивной схеме. Преобразователь возбуждения питает обмотку возбуждения синхронного двигателя выпрямленным напряжением постоянного тока по заданию системы управления преобразователем частоты. Преобразователь возбуждения питается от собственного вводного трансформатора ТрВ, который запитывается от сети 6 кВ, либо 0,4 кВ.
Конструктивно преобразователь частоты «ЭРАТОН-В-Р» выполняется в виде металлических шкафов одностороннего или двухстороннего обслуживания. Система охлаждения выполняется жидкостно-воздушной или воздушной принудительной. Степень защиты шкафов преобразователя производства ЗАО «ЭРАСИБ» по желанию заказчика выполняется от IP21 до IP54.
В 2021 году ЗАО «ЭРАСИБ» изготовило два комплектных транзисторных рекуперативных преобразователя частоты типа «ЭРАТОН-В-185-6-7,7-Р-10-IP21-УХЛ4» (185А, 6 кВ, 7,7 Гц) для тихоходного безредукторного высоковольтного синхронного электропривода мощностью 2х1600 кВт многоканатной клетевой шахтной подъемной машины ШПМ-5х4УН производства ПАО «Уралмашзавод» для ствола шахты «Скипо-Клетевая» Ново-Учалинского подземного рудника ОАО «Учалинский ГОК». Фото одного изготовленного преобразователя показано ниже:
Преобразователи частоты для электродвигателей с напряжением статора 3,3 кВ
ЗАО «ЭРАСИБ» разработало и предлагает к поставке преобразователи частоты типа «ЭРАТОН-В-Р» для ШПМ с трехфазными синхронными электродвигателями номинального напряжения 3,3 кВ двух модификаций:
- с простой трехфазной обмоткой статора;
- с расщепленной трехфазной обмоткой статора.
Структурная схема силовой части частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП) с тихоходным синхронным электродвигателем, который имеет простую трехфазную обмотку статора номинального напряжения статора 3,3 кВ, и преобразователем частоты «ЭРАТОН-В-Р» представлена на рисунке 4. На рисунке 3 показана структурная схема силового блока (силовой ячейки) рекуперативного транзисторного преобразователя частоты.
Рисунок 4. Структурная схема силовых цепей ЧРЭП с «ЭРАТОН-В-Р» на 3,3 кВ
Структурно преобразователь частоты типа «ЭРАТОН-В-Р» с выходным напряжением до 3,3 кВ отличается от аналогичного преобразователя на 6 кВ меньшим количеством силовых блоков (12, а не 18), количеством и схемой соединения обмоток силового трансформатора Тр1. За счет меньшего количества силовых блоков в фазе преобразователя частоты формируется выходное линейное напряжение с меньшим количеством уровней (9 против 13), что приводит к повышению коэффициента искажения выходного напряжения электродвигателя, а также к росту потерь в электродвигателе.
Энергетически преобразователи на 6 кВ и 3,3 кВ отличаются величинами токов в фазах электродвигателя и в фазах вторичных обмоток трансформатора, которые увеличиваются обратно пропорционально номинальному напряжению электродвигателя, что приводит к увеличению сечений обмоток и кабелей и росту потерь в элементах электропривода.
Функционально преобразователи частоты на 6 кВ и 3,3 кВ практически не отличаются.
Преобразователи повышенной надежности для электродвигателей с напряжением статора 3,3 кВ
На рисунке 5 показана структурная схема силовой части электропривода повышенной надежности с приводным синхронным электродвигателем, который имеет расщепленную трехфазную обмотку, и преобразователем «ЭРАТОН-В-Р» повышенной надежности. На рисунке 3 показана структурная схема силового блока (силовой ячейки) рекуперативного транзисторного преобразователя частоты для управления двигателем с расщепленной обмоткой статора.
Для управления синхронным электродвигателем с расщепленной трехфазной обмоткой статора с номинальным напряжением 3,3 кВ (рисунок 5) предлагается использовать преобразователь частоты типа «ЭРАТОН-В-Р» повышенной надежности с двумя трехфазными инверторами.
Рисунок 5. Структурная схема ЧРЭП с расщепленной обмоткой СД
Каждый трехфазный инвертор преобразователя «ЭРАТОН-В-Р» представляет собой высоковольтный рекуперативный многоуровневый преобразователь с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией на IGBT транзисторах. В каждой фазе инвертора №1 и №2 включено четыре последовательно соединенных силовых блока (Б), всего в составе каждого инвертора – 12 силовых блоков. Каждый силовой блок (Б1…Б12) запитан от отдельной вторичной трехфазной обмотки силового трансформатора (Тр). Инвертор с 12-ю силовыми блоками формирует девятиуровневое выходное трехфазное напряжение. Выходы преобразователя частоты подключены к одному групповому входу шинного коммутатора (ШК). Ко второму групповому входу ШК подключены выводы шести обмоток статора синхронного двигателя. Шинный коммутатор предназначен для соединения статорных обмоток двигателя и выходов инверторов №1 и №2 в определенные заданные схемы. При полностью исправных инверторах №1 и №2 ШК соединяет обмотки статора двигателя в две звезды (А1, В1, С1 и А2, В2, С2), которые совпадают по фазе и гальванически не связаны друг с другом, и подключает каждую звезду статора к выходу одного инвертора. В этом режиме двигатель обеспечивает цикл подъема максимального груза с максимальной скоростью. При выходе из строя одного из инверторов с помощью ШК можно отключить одну из трехфазных обмоток статора от выхода неисправного инвертора, либо соединить статорные обмотки двигателя последовательно в одну звезду и подключить эту звезду к выходу исправного инвертора. Отключение одной обмотки статора и одного неисправного инвертора позволяет поднимать часть максимального груза в скипе с максимальной скоростью. Соединение обмоток статора последовательно и их подключение к одному исправному инвертору позволяет поднимать в скипе максимальный груз со скоростью, которая в два раза меньше максимальной скорости.
Электропривод с приводным электродвигателем, который имеет расщепленную обмотку статора на 3,3 кВ, преобразователем частоты «ЭРАТОН-В-Р» с двумя многоуровневыми инверторами на IGBT транзисторах и шинным коммутатором имеет повышенную надежность. Повышенная надежность обеспечивается сохранением работоспособности и нагрузочной способности каждого инвертора и преобразователя частоты при выходе из строя части силовых блоков и байпаса неисправных блоков, а также за счет сохранения работоспособности и нагрузочной способности электропривода при выходе из строя одного из двух инверторов преобразователя «ЭРАТОН-В-Р».
ЗАО «ЭРАСИБ» разработало преобразователь частоты «ЭРАТОН-В-2х485-3,3-17-10-IP22-УХЛ4» с двумя инверторами на IGBT транзисторах (485А, 3,3 кВ, 10 Гц, 12 силовых блоков в каждом инверторе, байпас силовых блоков) для управления тихоходным синхронным электродвигателем с расщепленной обмоткой статора мощностью 5000 кВт электропривода одноканатной скиповой безредукторной шахтной подъемной машины У2Ц 6,3х2,8Д рудника «Таймырский» Заполярного филиала ПАО «ГМК «Норильский никель».
Преобразователи частоты повышенной надежности для электродвигателей с напряжением статора 1,15 кВ
Для управления подъемными машинами широко используются частотно-регулируемые электроприводы с относительно низковольтными шестифазными синхронными электродвигателями (СД) на номинальное напряжение 1,15 кВ и тиристорными непосредственными преобразователями частоты (НПЧ) производства фирмы СИМЕНС и шинными коммутаторами.
Электропривод НПЧ-СД разработан в шестидесятых годах прошлого века, обладает очень низкими энергетическими показателями, зависит от питающей сети, отрицательно влияет на питающую сеть потребляя из сети значительную реактивную мощность и генерируя в сеть высшие гармоники тока. Для устранения отрицательного влияния тиристорного НПЧ на сеть обязательна установка ФКУ мощностью не менее двойной мощности электропривода.
Для устранения недостатков синхронного электропривода номинального напряжения 1,15 кВ ЗАО «ЭРАСИБ» предлагает заменять НПЧ на рекуперативные транзисторные преобразователи частоты типа «ЭРАТОН-В-Р» при сохранении шестифазного СД и шинного коммутатора. Электроприводы с преобразователями «ЭРАТОН-В-Р» и СД лишены недостатков электроприводов с тиристорными НПЧ и обеспечивают выполнение всех требований к электроприводу ШПМ без отрицательного влияния на питающую сеть, поскольку потребляют только активную мощность при синусоидальном токе в сети.
Структурная схема электропривода с шестифазным синхронным электродвигателем и шестифазным ПЧ «ЭРАТОН-В-Р» показана на рисунке 6.
В силовой схеме (рисунок 6) применены два четырехобмоточных трансформатора Тр1, Тр2, которые подключаются к сети 6 кВ 50 Гц с помощью двух высоковольтных ячеек ВЯ1, ВЯ2, шестифазный СД и шестифазный преобразователь частоты. Шестифазный преобразователь «ЭРАТОН-В-Р» представляет собой два трехуровневых транзисторных рекуперативных инвертора напряжения с тремя силовыми блоками в каждом инверторе.
В шестифазном СД выведены начала и концы всех шести обмоток статора. Между выходом шестифазного ПЧ и шестифазного СД сохраняется шинный коммутатор (ШК). При исправной работе ПЧ шинный коммутатор соединяет статорные обмотки СД в две независимые звезды и подключает их к выходу шестифазного ПЧ. При выходе из строя одного из силовых блоков ПЧ шинный коммутатор переключает обмотки статора СД в одну звезду с последовательным согласованным соединением совпадающих по фазе обмоток (А и минус Х и т.д.) и подключает их к исправному трехфазному ПЧ, что обеспечивает работу электропривода с сохранением нагрузочной способности электродвигателя до скорости 50% номинальной.
Рисунок 6. Структурная схема силовых цепей ЧРЭП с «ЭРАТОН-В-Р» на 1,15 кВ
В 2020 году ЗАО «ЭРАСИБ» для нужд ФГУП НО «РАО», в рамках Государственного контракта №319/1768-Д от 24.07.2019, разработало и изготовило комплект электрооборудования с двумя рекуперативными транзисторными преобразователями частоты «ЭРАТОН-В-250-1,15-6-Р-00-IP21-УХЛ4» (500кВт, 1150В, 250А, Кпер=190%, 0–6 Гц), согласующими силовыми трансформаторами и тиристорным возбудителем. Комплект электрооборудования изготовлен для электропривода шахтной подъемной машины 2Ц-5х2,3 КД производства компании CITIC HEAVY INDUSTRIES CO., LTD (Китай) с приводным синхронным электродвигателем типа ТBP910-20 (910 кВт 30,6 об/мин, 1,15 кВ) консольной конструкции с расщепленной обмоткой.
Система управления и автоматического регулирования преобразователями частоты «ЭРАТОН-В-Р» и электроприводом ШПМ
Структурная схема системы управления и автоматического частотного регулирования синхронного электродвигателя с электромагнитным возбуждением и преобразователями частоты производства ЗАО «ЭРАСИБ» представлена на рисунке 7.
Система управления и регулирования синхронного электродвигателя с электромагнитным возбуждением представляет собой систему подчиненного регулирования с внешним контуром регулирования частоты вращения и внутренним контуром регулирования момента с векторным управлением, которая выполнена с использованием датчика положения ротора (BR рисунок 7).
Для исключения резких рывков момента на шкиве трения, способных вызвать проскальзывания канатов, система регулирования имеет на входе S-задатчик частоты, который формирует тахограмму разгона с ограничением рывка (второй производной частоты вращения).
Для обеспечения приемлемого качества переходных процессов при растормаживании и разгоне в интегральную часть регулятора частоты (скорости) вводится динамический момент и статический момент. Для обеспечения оптимального управление синхронного электродвигателя система векторного управления формирует задание на моментообразующий ток статора, намагничивающий ток статора и ток возбуждения таким образом, чтобы обеспечивать заданный коэффициент мощности электродвигателя.
Рисунок 7. Структурная схема системы управления и регулирования СД
Система управления преобразователем частоты в цепи статора электродвигателя аппаратно реализована на цифровых сигнальных процессорах (англ. digital signal processor, DSP) и программируемых пользователем вентильных матрицах (ППВМ, англ. field-programmable gate array, FPGA).
Конструктивно система управления преобразователя разделена на несколько составных частей. Главная часть системы управления осуществляет векторное управления электродвигателем, обрабатывает внешние сигналы управления, информацию от энкодеров и датчиков тока, и формирует задание на выходное напряжение и ток преобразователя. Эта часть системы управления полностью гальванически развязана с силовой частью преобразователя и размещена в отдельном шкафу управления (ШУ). На лицевой панели ШУ размещен пульт местного управления (сенсорная HMI панель), с помощью которого выполняется программирование и задание параметров преобразователя частоты.
Каждый силовой блок (ячейка) преобразователя имеет локальную систему управления, которая управляет активным выпрямителем напряжения, формирует сигналы управления IGBT транзисторами в зависимости от задания напряжения, поступающего от шкафа управления ПЧ. Данная система управления также обеспечивает защиты и измерение температуры силовых элементов блока, она конструктивно размещена внутри силового блока и не доступна для пользователя при работающем преобразователе частоты.
Связь главной системы управления с системами управления силовых блоков осуществляется через оптические линии связи, что обеспечивает гальваническую развязку и высокую помехоустойчивость.
Для заказа синхронного электропривода шахтной подъемной машины обратитесь к нашим специалистам по телефону (383) 383 07 96 либо по электронной почте erasib@erasib.ru и Вы получите предложение с учетом специфики вашего предприятия и с учетом расходов на доставку, проектные работы, шефмонтаж и пуско-наладочные работы.
