CC BY
338
------------------------------ © А.Я. Микитченко, М.В. Могучев,
А.Н. Шевченко, А.Н. Шоленков, Э.Л. Греков, 2009
А.Я. Микитченко, М.В. Могучев, А.Н. Шевченко,
А.Н. Шоленков, Э.Л. Греков
РАЗРАБОТКИ ОАО «РУДОАВТОМАТИКА»
В ОБЛАСТИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ЭКСКАВАТОРНЫХ ПРИВОДОВ
Приведены краткая история и характеристика предприятия, описано НКУ, выпускаемой сегодня системы экскаваторного электропривода с электрома-шинными преобразователями и цифровым управлением, приводятся некоторые технические решения, связанные с созданием перспективной системы экскаваторного электропривода на базе полупроводниковых преобразователей.
Ключевые слова: экскаваторный электропривод, горнорудные предприятия, цифровые моноблоки.
Специализированное производственно-техническое предприятие (СПТП) «Рудоавтоматика» создано Министерством Черной Металлургии СССР в 1976 году. Основное его предназначение - наладка электротехнического оборудования горнорудных предприятий центра России. С 1993 года предприятие начало выпускать низковольтные комплектные устройства (НКУ) для карьерных экскаваторов. Всего с 1993 года выпущено 300 комплектов.
Во всех НКУ для карьерных экскаваторов производства ОАО «Рудоавтоматика» реализован принцип моноблочного построения электрооборудования. Эту идею предложил В.И. Ключев и многолетняя эксплуатация изготовленных НКУ подтвердила ее жизнеспособность. Основным элементом главных и вспомогательных электроприводов является тиристорный преобразователь ПТЭМ. Универсальность использованных в нем схемотехнических и конструктивных решений позволяет использовать его в различных системах электропривода, а так же реализовать принцип взаимозаменяемости моноблоков.
До 2003 года предприятие выпускало НКУ, реализованные на ПТЭМах с аналоговой схемотехникой. Такая технология имеет неоспоримое достоинство - с помощью принципиальных схем любо-
му наладчику можно разобраться в работе блока и устранить неисправность. Но есть и недостатки - «жесткая» схема не позволяет вносить изменения в работу устройства без значительных трудозатрат, и затруднена совокупная диагностика рабочего состояния НКУ. Для «смягчения» второго недостатка в схему НКУ вводится множество дополнительных элементов релейно-контакторной схемы в виде промежуточных реле и блок-контактов, что ведет за собой увеличение эксплуатационных затрат.
В 2003 году было спроектировано, изготовлено и установлено НКУ по совершенно новой технологии (ЭКГ-10, №133, Лебединский ГОК). Не только СИФУ и логика, но и регуляторы были выполнены на базе микроконтроллерной техники. В этом случае реализуются дополнительные возможности: возможность легко изменять алгоритм работы устройства; встроенная расширенная диагностика; согласование работы различных приводов и сбор диагностических данных по цифровой информационной сети; более «четкая» работа регуляторов СИФУ и логики; независимость их параметров от условий работы.
В то же время концепция моноблочного построения электроприводов сохранена. На рис. 1 представлена функциональная схема цифровой системы управления НКУ ЭГ-10РЦ-У2. Цифровые моноблоки 1, 2, 3 питают обмотки возбуждения генераторов главных приводов и реализуют структуру управления. К ним подключаются датчики обратных связей по токам якорей, напряжениям на выходах генераторов, сигналы задания от цифровых джойстиков управления, установленных на кресло-пульте (КП). Моноблоки 4, 5, 6 предназначены для возбуждения двигателей главных приводов. В них реализована структура с обратной связью по току, которая предназначена для стабилизации тока возбуждения и его регулирования (в приводе подъема). Моноблок 7 используется для питания якорной цепи двигателя открывания днища ковша и работает в режиме источника тока (подмотки или дергания). Обмотка возбуждения синхронного двигателя питается от отдельного мостового тиристорного преобразователя, управляемого БУТом (блок управления тиристорами). Конструктивно БУТ представляет собой интеллектуальную часть ПТЭМ без силовых тиристоров.
Для уменьшения количества промежуточных реле в НКУ применен технологический контроллер ТК, имеющий 16 входов, предназначенных для контроля напряжения в релейно-контакторных
цепях напряжением 110 В, и 16 выходов, коммутирующих силовые и питающие контакторы. Помимо этого у ТК имеются и другие функции. Это, прежде всего, контроль за работой всех ПТЭМов, подключенных к информационной сети. Второй функцией ТК является начальная конфигурация программы ПТЭМов в зависимости от места его установки.
Программное обеспечение всех моноблоков построено таким образом, что позволяет изменять настройки системы с помощью пульта настройки (ПН на рис. 1) при работающем экскаваторе. С помощью ПН можно менять такие параметры как ток стопора, напряжение холостого хода, форму механической характеристики, момент ослабления магнитного потока в приводе подъема.
В цифровом НКУ имеется возможность регистрации сигналов через промышленный компьютер ПК. Для чего разработан специальный преобразователь интерфейса (ПИ). С помощью программного обеспечения, установленного на ПК, можно на экране одновременно регистрировать токи якоря, напряжение на двигателях, токи возбуждения и возникающие аварийные ситуации.
На рис. 2 и 3 показаны осциллограммы переходных процессов электропривода подъема при работе в забое в аналоговой системе управления НКУ ЭГ-10Р-У2 и цифровой НКУ ЭГ-10РЦ-У2. Как видно, цифровая система более четко отрабатывает сигнал задания и ограничение стопорного тока (в аналоговой системе наблюдаются «выбросы» тока якоря за стопорное значение).
На сегодняшний момент ОАО «Рудоавтоматика» выпускает цифровые НКУ для различных типов экскаваторов. Однако, сколь привлекательной и современной не выглядела бы система управления, силовая часть электропривода - система генератор-двигатель (Г-Д) все равно остается лишь системой Г-Д. Электромеханические преобразователи имеют низкий КПД и трудоемки в обслуживании. Поэтому основной потребитель экскаваторных НКУ ООО «ИЗ-КАРТЭКС» поставил в 2007 году задачу перед производителями НКУ о переходе на более современные системы электропривода с полупроводниковыми преобразователями. Но на сегодняшний день в России нет ни разработок, ни производителей экскаваторных регулируемых
Рис. 1.- Функциональная схема цифровой системы управления НКУ ЭГ-10РЦ-У2
изад
GH
IЯGH
Рис. 2. Переходные процессы электропривода подъема в аналоговой системе управления НКУ ЭГ-10Р- У2
Рис. 3. Переходные процессы электропривода подъема в цифровой системе НКУЭГ-10РЦ-У2
двигателей на переменном токе. Эту индустрию еще предстоит создавать, а в этот переходный период, вероятно, потребуется создавать и эксплуатировать полупроводниковые системы с двигателями постоянного тока.
Из полупроводниковых преобразователей тиристорные (как на постоянном, так и на переменном токе) обладают наиболее высоким КПД, но имеют пульсации тока на выходе (т.е. в двигателе). Транзисторные преобразователи имеют меньший КПД, но обеспечивают практически идеальный (гладкий) ток в двигателе. Для по-
вышения коэффициента мощности на входе преобразователя в тиристорных преобразователях используется фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ), в транзисторных преобразователях используется устройство «активного переднего фронта» (AFE). Основная неприятность от полупроводникового преобразователя состоит в искажении выходного напряжения. Это относится как к тиристорному, так и к транзисторному преобразователям, как на постоянном, так и на переменном токе. Но, если тиристорные преобразователи допускают использование обычных серийных двигателей, то транзисторные требуют машин специальных исполнений (усиленная изоляция, специальные подшипники).
В научной группе нашего предприятия было выполнено теоретическое сравнение энергетической эффективности процессов преобразования электрической энергии в основных системах экскаваторного электропривода при регулировании частоты вращения двигателя с постоянным моментом сопротивления на валу (рис.4). На рисунке Кээ=Р2^1 - коэффициент энергетической эффективности, Р2 - активная мощности на валу двигателя, S1 - полная мощность, потребляемая преобразователем из сети, Д - диапазон регулирования частоты вращения. Сравнивались системы: синхронный двигатель - генератор-двигатель постоянного тока (СД-Г-Д - эксплуатируемая сегодня на всех отечественных экскаваторах), асинхронный двигатель - генератор- двигатель постоянного тока (АД-Г-Д), тиристорный преобразователь с ФКУ - двигатель постоянного тока (ТП-Д с ФКУ), тиристорный непосредственный преобразователь с ФКУ - асинхронный двигатель (НПЧ-АД с ФКУ), транзисторный преобразователь с «передним активным фронтом», автономным инвертором напряжения с широтно-импульсным регулированием - двигатель постоянного тока (AFE-АИН (ШИМ) - Д), транзисторный преобразователь частоты с «передним активным фронтом», автономным инвертором напряжения с широтноимпульсным регулированием - асинхронный двигатель постоянного тока ^Е-АИН (ШИМ) - АД).
Заметим, что средневзвешенные значения диапазона регулирования для основных механизмов экскаваторов располагаются в интервале Д=2...3. Очевидно: единственной системой превосходящей по энергоэффективности СД-Г-Д. является для экскаваторного электропривода система ТП-Д с ФКУ.
Рис. 4. Зависимости коэффициента энергетической эффективности от диапазона регулирования
Что касается капитальных затрат, то они для СД-Г-Д и ТП-Д с ФКУ приблизительно равны. Поэтому в этот переходный период мы выбираем курс на разработку системы ТП-Д с ФКУ.
На рис. 5 приведена скелетная схема якорных цепей, разрабатываемого в настоящее время в ОАО «Рудоавтоматика» НКУ экскаватора ЭКГ-12К (на базе ЭКГ-10).
Для того, чтобы сохранить максимальное число тиристоров при возможных внутренних коротких замыкания, все тиристоры во всех приводах (ТШ...ТП8) выбираются одинаковыми на один допустимый по условиям сети ударный ток короткого замыкания. Одновременно при этом решаются вопросы унификации оборудования. Из-за больших значений стопорных токов питание каждого двигателя (например, П1) будем осуществлять от двух мостовых реверсивных преобразователей (ТП1 и ТП2), включенных относительно двигателя параллельно. Питание каждого из этих двух мостовых преобразователей будет осуществляться от отдельных вторичных обмоток трансформатора (Тр-р).
Вторичные обмотки трансформаторов будут иметь 30-ти градусный фазовый сдвиг за счет разных групп включения трансформаторов, что обеспечит при симметричном управлении мостами 12-
типульсные токи в двигателях и отсутствие 5-й и 7-й высших гармоник (ВГ) в потребляемом сетевом токе.
Рис. 5. Схема якорных цепей по системе ТП-Д ЭКГ-12К
Каждая пара реверсивных мостовых преобразователей (например, ТП1, ТП2) сгруппирована в один типовой шкаф. При этом двухдвигательный привод подъема будет содержать два шкафа, а привода напора и поворота - по одному. Все четыре шкафа между собой идентичны. В каждом шкафу расположены нереверсивные мостовые преобразователи цепей возбуждения соответствующих двигателей (на схеме не показаны). Регулирование момента и частоты вращения для всех главных приводов во всех режимах и квадрантах для лучшего использования двигателей предполагается двухзонным.
Для защиты от сверхтоков при опрокидывании инвертора и других возможных авариях предусмотрены в качестве радикальной меры резисторы RL..R8, шунтированные в рабочих режимах соответствующими автоматами (QF3...QF16) с небольшой кратностью уставок по отношению к стопорным токам. Эти резисторы выполняют роль «последних парашютов», когда все другие меры исчерпаны. Если автомат сработал и резистор введен, то одновременно с блокировкой импульсов преобразователя снимается задание управления на привод. Для возобновления работы привод придется отключить и взвести автомат.
Между уставкой стопорного тока и упомянутой уставкой срабатывания автомата предполагается еще две уставки аварийных защит. Первая из них будет обеспечивать восстановление инвертора после случайного пропуска импульса, а вторая - емкостное прерывание аварийного тока с автоматическим повторным включением (АПВ) без остановки привода.
Дополнительно резисторы RL..R8 вводятся при отключении, соответствующих автоматов (QFL..QF14) в линиях питания преобразователей, например, по условиям безопасности (срабатывание РУП -реле утечки питания) или другим причинам - в помощь механическим тормозам. Осуществляется это закорачиванием моста преобразователя, например, сдвигом импульсов управления в группах преобразователя.
В системе ТП-Д предполагается оставить синхронный двигатель (СД) от агрегата системы СД-Г-Д экскаватора ЭКГ-10. Назначение его будет двоякое. С одной стороны, работая без нагрузки на валу, он будет выполнять роль «электростанции» на случай незапланированного отключения сети.
С другой стороны, при работе экскаватора СД будет выполнять роль компенсатора реактивной мощности.
Одной из проблем синхронной машины является ее высокая чувствительность к высшим гармоникам в системе питания. Однако в данном случае в сетевом токе 12-ти пульсных преобразователей главных приводов 5-я и 7-я гармоники отсутствуют, он близок по форме к синусоидальному и мало вредит «синхроннику».
Несмотря на широкий диапазон регулирования реактивной мощности наибольшая емкостная ее составляющая при допустимом максимальном возбуждении не превышает половины номинальной мощности СД: Qсдcм ^ ~ Рсдн . Чтобы расширить абсо-
лютную величину емкостной реактивной мощности необходимо на низкой стороне питающего трансформатора установить дополнительное ФКУ. Такие фильтры надо устанавливать еще и потому что несколько относительно небольших по мощности преобразователей: привода открывания днища ковша, поворота (из-за выравнивания нагрузок) и возбудителей двигателей, - остаются 6-ти пульс-ными и генерируют в сеть ВГ, начиная с 5-й и 7-й. Не подавить их - может оказаться опасным для СД. Наличие ФКУ на низкой стороне преобразовательных трансформаторов позволяет дополнительно скомпенсировать значительную часть реактивной мощности тиристорных преобразователей и разгрузить трансформаторы, понизив тем самым их типовую мощность.
Наличие ФКУ, глухо подключенного к выходу трансформатора, оказывает чрезвычайно благотворное влияние на линию и трансформатор при подключении его к сети на холостом ходу. Броски токов и перенапряжения на высокой стороне резко уменьшаются. Кроме того, наличие ФКУ в сети совместно с синхронным двигателем уменьшает сетевые токи при асинхронном пуске, облегчая его. Это подтверждается экспериментальными исследованиями.
Исследования на макетах позволили выявить еще одну важную деталь. Оказывается, исключение уравнительных дросселей на стороне постоянного тока тиристорных преобразователей при их параллельном соединении, служащих для выравнивания нагрузок (на рис.5 не показаны), позволяет резко улучшить гармонический состав сетевых токов. Но за такое упрощение схемотехники приходится платить увеличением пульсаций токов в отдельных мостах и завышением ти-
ристорных модулей по току. Для усиления помехозащищенности преобразователей следует использовать драйверы с отрицательными смещением. Для тех же целей управляющие цепи, информационная сеть между шкафами (а частично и в шкафах) будут выполнены оптоволоконными. Система импульсно-фазового управления (СИФУ) предусматривает линеаризацию токов в прерывистом, пульсирующем и непрерывных режимах. Для дополнительного повышения надежности логики используется адаптивный регулятор.
Экскаватор ЭКГ-12К, в отличие от своего предшественника ЭКГ-10 будет оборудован развитой информационнодиагностической системой (ИДС).
Мы полагаем, что комплекс предложенных технических решений позволяет создать совершенный, действительно соответствующий своему времени отечественный экскаватор - высоконадежный, с улучшенными энергетическими и эксплутационными показателями. гатш
A.J. Mikitchenko, M.V. Moguchev, AN. Shevchenko, A.N. Sholenkov, E.L. Grekov
DEVELOPMENTS OF "ORE & AUTOMATICS" PUBLIC CORPORATION IN THE FIELD OF PROMISING SYSTEMS OF EXCA VA TOR DRIVES
The short history and the enterprise characteristic are resulted, excavator electric drive’s system with electromachine converters and a digital control Low-voltage Complete Device produced nowadays is described, some technical decisions related to the creation of promising system of the excavator electric drive on the basis of semiconductor converters are resulted.
Key words: excavator electric drive, mining enterprises, digital monoblocks.
___ Коротко об авторах ________________________________________________
Микитченко А.Я. - доктор технических наук, профессор, директор по научной работе,
Могучее М.В. - кандидат технических наук, зам. директора по научной работе,
Шевченко А.Н. - ст. научный сотрудник,
Шоленков А.Н. - инженер по наладке и испытаниям,
ОАО «Рудоавтоматика», г. Железногорск, rudavt@046.ru Греков Э.Л. - кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой автоматизированного электропривода, Оренбургский государственный университет, post@mail.osu.ru
