Модернизация электропривода скиповой шахтной подъемной машины рудника «Новоширокинский» на базе преобразователей частоты производства ЗАО «ЭРАСИБ»


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

Декабрь 2017 г.

В настоящее время скиповой подъем рудника «Новоширокинский» оборудован подъемной машиной 2Ц-4х2,3 с двумя скипами грузоподъемностью 6000 кг, редукторным приводом с одним электродвигателем с фазным ротором типа АКН2-15-57-10УХЛ4 (630 кВт, 590 об/мин), контакторным реверсором в статоре, роторной пусковой резисторно-контакторной станцией (ПРКС) и станцией динамического торможения (СДТ) в статоре электродвигателя. Упрощенная однолинейная структурная схема существующего электропривода показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Однолинейная структурная схема действующего электропривода

Проектом реконструкции скипового подъема запланировано замена скипов с увеличением грузоподъемности до 8000 кг (масса скипа с прицепным устройством 6000 кг), углубление ствола до 291 м, замена приводного электродвигателя на более мощный асинхронный электродвигатель 800 кВт, 590 об/мин, замена ПРКС и СДТ на частотно-регулируемый электропривод с транзисторным преобразователем частоты и установка системы автоматизированного управления и контроля подъемной машины (САУК ПМ).

ЗАО «ЭРАСИБ» (г. Новосибирск) предлагает поставить комплектный частотно-регулируемый электропривод с рекуперативным транзисторным преобразователем частоты собственной разработки и производства марки «ЭРАТОН» и асинхронным электродвигателем производства компании РУСЭЛПРОМ для оборудования шахтной подъемной машины (ШПМ) типа 2Ц-4х2,3 рудника «Новоширокинский по проекту модернизации.

ЗАО «ЭРАСИБ» имеет возможность поставить комплектный частотно-регулируемый электропривод в нескольких модификациях, отличающихся типом и параметрами приводного электродвигателя и транзисторного преобразователя частоты, что влияет на технико-экономические показатели скипового подъема.

1. Частотно-регулируемый электропривод с низковольтным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором типа АДЧРС-800-0,66-10У2 (800 кВт, 600 об/мин) и статорным преобразователем частоты «ЭРАТОН-М5-800-Р-3»

Однолинейная структурная схема частотно-регулируемого электропривода с низковольтным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) и статорным низковольтным преобразователем частоты показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Однолинейная структурная схема электропривода с низковольтным АДКЗ.

В связи с появлением достаточно мощных (до 1250 кВт) низковольтных (0,66 или 0,69 кВ) асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (низковольтные АДКЗ) стало возможным создавать мощный быстродействующий реверсивный частотно-регулируемый электропривод с низковольтными рекуперативными преобразователями частоты. ЗАО «ЭРАСИБ» производит низковольтные рекуперативные преобразователи частоты с цифровой микропроцессорной системой управления для реверсивного электропривода с низковольтными АДКЗ под маркой «ЭРАТОН-М5-Р». При питании от сети 6 кВ 50 Гц такой электропривод строится с индивидуальным понижающим трансформатором 6/0,66 кВ (или 6/0,69 кВ), как показано на рисунке 2.

Достоинства электропривода с низковольтным АДКЗ и низковольтным рекуперативным транзисторным преобразователем частоты (ПЧ):

1. Высокий КПД электропривода (0,958*0,97=0,93) за счет потребления из сети только активной мощности, передаваемой на вал электродвигателя для выполнения полезной работы, малых потерь мощности в элементах электропривода и рекуперативного торможения.

2. Электропривод не потребляет из сети реактивную мощность за счет активных входных выпрямителей с регулируемым потреблением и генерированием реактивной мощности.

3. Ток в питающей сети синусоидальный за счет входных активных выпрямителей с синусоидальной ШИМ и входных силовых «синусных» фильтров.

4. Электропривод изменяет направление вращения вала двигателя без дополнительного контакторного оборудования (отсутствует контакторный реверсор).

5. Высокая точность формирования заданной тахограммы движения сосудов ШПМ на этапе разгона, основного движения и торможения.

6. Возможность повышения скорости основного движения сосудов ШПМ за счет повышения скорости вращения вала АДКЗ до синхронной скорости.

Недостатки электропривода с низковольтным АДКЗ и низковольтным рекуперативным транзисторным ПЧ:

1. Возможность резервирования преобразователя только за счет покупки второго ПЧ.

2. Относительно низкая точность управления моментом и скоростью электродвигателя при маневрировании сосудов на малых скоростях, особенно в генераторном режиме.

3. Большие значения тока в кабелях между преобразователем и трансформатором, преобразователем и электродвигателем.

4. Невозможность работы электропривода без датчика положения вала электродвигателя.

5. Невозможность модернизации и обслуживания электропривода без остановки подъема.

2. Частотно-регулируемый электропривод с высоковольтным асинхронным электродвигателем с фазным ротором типа АКН-62-800-6-600У3 (800 кВт, 590 об/мин) и рекуперативными транзисторными преобразователями типа «ЭРАТОН»

ЗАО «ЭРАСИБ имеет возможность поставить три варианта частотно-регулируемого электропривода с приводным высоковольтным асинхронным электродвигателем с фазным ротором (АДФР) типа АКН-62-800-6-600У3 (800 кВт, 590 об/мин, напряжение статора 6000В, ток статора 98А, напряжение ротора 1025В, ток ротора 465А, КПД=94,6%, коэффициент мощности 0,83) производства ООО «ЛЭЗ» (компания РУСЭЛПРОМ) и тремя типами рекуперативных транзисторных преобразователей частоты собственной разработки и производства.

Также ЗАО «ЭРАСИБ» имеет возможность выполнить модернизацию пусковой роторной станции (ПРС) с обеспечением высокого качества ее работы на более мощный АДФР 800 кВт.

2.1. Модернизация пусковой роторной станции для электродвигателя с фазным ротором типа АКН-62-800-6-600У3 (800 кВт, 590 об/мин)

В случае применения в качестве приводного электродвигателя АДФР типа АКН-62-800-6-600У3 (800 кВт, 590 об/мин, напряжение статора 6000В, ток статора 98А, напряжение ротора 1025В, ток ротора 465А, КПД=94,6%, коэффициент мощности 0,83) и сохранении пусковой роторной станции в качестве резервной потребуется ее модернизация из-за увеличения мощности и изменения параметров ротора электродвигателя.

ЗАО «ЭРАСИБ» предлагает выполнить модернизацию ПРС с заменой устаревшего контакторного оборудования на современную бесконтактную пусковую роторную станцию с цифровой микропроцессорной системой управления типа «ЭРАТОН-УПТФ-800-1025-465». Однолинейная структурная схема электропривода с ПРС типа «ЭРАТОН-УПТФ-800-1025-465» показана на рисунке 3.

В состав ПРС типа «ЭРАТОН-УПТФ» (рисунок 3) входит тиристорный управляемый выпрямитель (УВ), к выходу которого подключен набор пусковых сопротивлений (R1,…,Rn+1) и комплект тиристоров (Т1,…,Тn) для шунтирования пусковых сопротивлений. Управляемый выпрямитель (УВ) и шунтирующие тиристоры управляются цифровым микропроцессоным контроллером.

Пуск электродвигателя АДФР с помощью ПРС «ЭРАТОН-УПТФ» (рисунок 3) выполняется за счет шунтирования пусковых резисторов. В начале пуска ток ротора плавно увеличивается с помощью выпрямителя УВ. При этом выбираются все зазоры в передаче плавно без ударов. По мере разгона электродвигателя пусковые сопротивления шунтируются тиристорами с последующим закорачиванием ротора контактором КЗ.

Отличия ПРС типа «ЭРАТОН-УПТФ» (рисунок 3) от старой ПРКС (рисунок 1) заключаются в возможности плавного регулирования пускового тока выпрямителем УВ без больших бросков тока и отсутствием контакторов, требующих постоянного ухода.

ПРС «ЭРАТОН-УПТФ» может программироваться на стабилизацию тока ротора с небольшими пульсациями момента в процессе разгона, либо на стабилизацию момента электродвигателя с относительно небольшими пульсациями тока ротора.

Использование ПРС «ЭРАТОН-УПТФ» вместо старой ПРКС позволит на первом этапе модернизации электропривода ШПМ выполнить замену электродвигателя АДФР 630 кВт на АДФР 800 кВт и улучшить качество работы электропривода с ПРС и СДТ за счет устранения ударов в передачах и уменьшения бросков тока и момента на валу двигателя.

Основными недостатками электропривода с ПРС «ЭРАТОН-УПТФ» являются высокое потребление активной мощности электроприводом за счет потерь мощности в сопротивлениях ПРС при разгоне, торможении и движении сосудов на пониженных скоростях, а также реверс направления вращения вала двигателя с помощью контакторного реверсора, поэтому поставка ПРС может рассматриваться только как первый этап модернизации.

Рисунок 3. Однолинейная структурная схема электропривода с ПРС «ЭРАТОН-УПТФ»

2.2. Частотно-регулируемый электропривод с высоковольтным асинхронным электродвигателем с фазным ротором типа АКН-62-800-6-600У3 (800 кВт, 590 об/мин), роторным рекуперативным транзисторным преобразователем частоты типа «ЭРАТОН-ФР-800-1025-465», резервной ПРС «ЭРАТОН-УПТФ-800-1025-465» и СДТ

Однолинейная структурная схема электропривода с АДФР и ПЧ типа «ЭРАТОН-ФР» показана на рисунке 4.

Высоковольтный асинхронный электродвигатель с фазным ротором (АД ФР) при питании обмотки статора от сети 6 кВ 50 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 с постоянным моментом без датчика положения вала (энкодера). Частотное регулирование скорости АД ФР преобразователем «ЭРАТОН-ФР» осуществляется с высоким КПД за счет возврата мощности скольжения из цепи ротора в цепь статора, высоким коэффициентом мощности (0,95 – 1,0) при синусоидальной форме тока в питающей сети. Электропривод с АД ФР 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. Перечисленные достоинства управляемой машины двойного питания с АД ФР и ПЧ «ЭРАТОН-ФР» обеспечили широкое применение данного электропривода при модернизации шахтных подъемных машин для замены устаревших систем с пусковой роторной резисторно-контакторной станцией и станцией динамического торможения, которые сохраняются в качестве резервной системы регулирования скорости.

Рисунок 4. Однолинейная схема электропривода с АДФР и ПЧ «ЭРАТОН-ФР»

Достоинства электропривода с высоковольтным АДФР и относительно низковольтным роторным рекуперативным транзисторным преобразователем частоты «ЭРАТОН-ФР»:

1. Высокий КПД электропривода за счет потребления из сети только активной мощности, передаваемой на вал электродвигателя для выполнения полезной работы, малых потерь мощности в элементах электропривода и рекуперативного торможения.

2. Электропривод не потребляет из сети реактивную мощность за счет активных входных выпрямителей роторного ПЧ «ЭРАТОН-ФР» с регулируемым потреблением и генерированием реактивной мощности.

3. Ток в питающей сети синусоидальный за счет входных активных выпрямителей с синусоидальной ШИМ и входных силовых «синусных» фильтров роторного ПЧ.

4. Высокая точность формирования заданной тахограммы движения сосудов ШПМ на всех этапах разгона, основного движения, торможения и движения на малых скоростях без датчика положения вала электродвигателя.

5. Возможность резервирования электропривода за счет сохранения станции динамического торможения и применения пусковой роторной станции.

6. Высокая точность управления моментом электродвигателя и скоростью сосудов без датчика положения вала электродвигателя, особенно на малых скоростях в режимах маневрирования.

7. Возможность модернизации и обслуживания электропривода без остановки подъема за счет резервирования с помощью ПРС и СДТ.

8. Повышение надежности электропривода за счет резервирования СДТ и ПРС.

Недостатки электропривода с низковольтным АДФР и роторным ПЧ «ЭРАТОН-ФР»:

1. Относительно небольшое снижение максимальной скорости движения сосудов за счет трудностей достижения номинальной скорости вала электродвигателя.

2. Сохранение контакторного реверсора для изменения направления движения сосудов ШПМ.

2.3. Частотно-регулируемый электропривод с высоковольтным асинхронным электродвигателем с фазным ротором типа АКН-62-800-6-600У3 (800 кВт, 590 об/мин), высоковольтным статорным рекуперативным транзисторным преобразователем частоты типа «ЭРАТОН-ВР-6-800», резервной ПРС «ЭРАТОН-УПТФ-800-1025-465» и СДТ

ЗАО «ЭРАСИБ имеет возможность поставки высоковольтного частотно-регулируемого электропривода с АДФР 800 кВт и высоковольтным рекуперативным транзисторным ПЧ типа «ЭРАТОН-ВР-6-800». Однолинейная схема электропривода показана на рисунке 5.

Применение АДФР 800 кВт позволяет создать частотно-регулируемый электропривод с высоковольтным (6 кВ) статорным транзисторным ПЧ типа «ЭРАТОН-ВР-6-800». Этот электропривод обладает всеми достоинствами электропривода с АДКЗ (п. 1), но дополнительно позволяет обеспечить резервирование электропривода за счет сохранения возможности использовать пусковую роторную станцию и станцию динамического торможения при отключении статорного высоковольтного ПЧ с помощью высоковольтных разъединителей.

Рисунок 5. Однолинейная схема высоковольтного электропривода с АДФР 800 кВт и высоковольтным статорным ПЧ

2.4. Электропривод по схеме управляемой машины двойного питания с электродвигателем с фазным ротором типа АКН2-15-69-10 (800 кВт, 590 об/мин) и двумя преобразователями частоты в роторе и статоре

Однолинейная структурная схема электропривода по схеме управляемой машины двойного питания (УМДП) с преобразователями частоты в роторе и статоре АД ФР показана на рисунке 6.

Специалисты ЗАО «ЭРАСИБ» разработали электропривод с управляемой машиной двойного питания на базе АД ФР, который сохраняет все достоинства УМДП с одним роторным ПЧ, а также обеспечивает регулирование скорости АД ФР с постоянным моментом от нуля до синхронной скорости вала без датчика положения вала и изменение направления вращения вала без механического реверсора в статоре. Дополнительные возможности и улучшение показателей УМДП обеспечиваются за счет установки рекуперативных транзисторных преобразователей частоты в статор и ротор АД ФР, как показано на рисунке 3.

Статорный преобразователь частоты «ЭРАТОН-ВР» (рисунок 6) формирует стабилизированное трехфазное напряжение, величина и частота которого ниже напряжения питающей сети. При снижении амплитуды статорного напряжения, напряжение ротора АД ФР также должно быть пропорционально снижено. Роторный преобразователь «ЭРАТОН-ФР» формирует трехфазное напряжение с регулируемой величиной и частотой и обеспечивает векторное управление моментом и скоростью электродвигателя аналогично электроприводу УМДП с одним роторным ПЧ «ЭРАТОН-ФР», но только в другом диапазоне напряжения ротора и его частоты. Для регулирования скорости вала от нуля до синхронной скорости АД ФР роторный ПЧ уменьшает частоту выходного напряжения от частоты, равной частоте напряжения статора до нуля с последующим повышением частоты от нуля до частоты, равной разности частот сети и частоты статорного ПЧ с реверсом фаз при нулевой частоте. Для изменения направления вращения вала АД ФР статорный ПЧ производит бесконтактный реверс фаз напряжения статора с переходом через нулевое значение.

Рисунок 6. Однолинейная схема электропривода УМДП с АДФР, двумя ПЧ и резервированием с помощью ПРС и СДТ

При установке двух преобразователей частоты в статор и ротор АД ФР (рисунок 6) номинальное напряжение и частота каждого ПЧ снижаются. За счет этого суммарная установленная мощность двух преобразователей остается такой же величины, как и установленная мощность одного преобразователя в статоре АД КЗ (рисунок 2), или одного преобразователя в роторе АДФР (рисунок 4). Стоимость двух ПЧ в схеме УМДП (рисунок 6) также не изменяется, либо снижается за счет упрощения структуры силовых цепей каждого ПЧ.

В электроприводе УМДП с двумя преобразователями частоты в статоре и роторе сохраняется способность управлять моментом АД ФР при нулевой и малой скорости вала без датчика положения вала (энкодера), что 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 АД ФР) с высокой управляемостью моментом и скоростью электродвигателя, а также бесконтактный реверс направления вращения вала АД ФР.

Таким образом, ЗАО «ЭРАСИБ» имеет в своем арсенале ряд разработанных технических решений по модернизации асинхронного электропривода шахтных подъемных машин, которые позволяют подобрать наиболее оптимальный способ модернизации.