CC BY
388
УДК 62-83:621.69
Л.Х. Дацковский, канд. техн. наук, директор НПЦ-12 «Электротехнические
комплексы», (495) 608-21-60, [email protected],
В.И. Роговой, канд. техн. наук, ведущий науч. сотр., (495) 608-21-60,
И.С. Кузнецов, ведущий науч. сотр. (495) 608-21-60, [email protected], А.А. Жидков, ст. науч. сотр. (495) 608-21-60, [email protected], А.А. Воликов, науч. сотр. (495) 608-21-60, [email protected] (Россия, Москва, ОАО «Электропривод»)
ЭЛЕКТРОПРИВОД СОВРЕМЕННЫХ ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ МАШИН
Обсуждены проблемы развития и промышленного применения электроприводов для шахтных подъемных машин. Охарактеризованы два типа электроприводов: электропривода переменного тока с синхронными двигателями и преобразователями частоты с непосредственной связью НПЧ (циклоконверторы), а также электропривода постоянного тока.
Ключевые слова: электропривод переменного тока с синхронными двигателями, преобразователь частоты с непосредственной связью, электропривод постоянного тока.
1. Общие положения
Для современных шахтных подъемных машин характерными являются современные тенденции роста грузоподъемности, максимальных скоростей перемещения подъемных сосудов, увеличения глубин шахт, увеличения диапазона регулирования частоты вращения двигателей электроприводов (до 1:100 и более).
В общем случае граница целесообразного применения редукторного и безредукторного электроприводов определяется по результатам исследований с учетом многих факторов.
Из зависимости стоимости безредукторного привода и редукторного привода от номинального момента на тихоходном валу следует, что стоимость обоих исполнений приводов оказывается одинаковой при: номинальном моменте на валу машины Мн=33 тм. Для подъемных машин со скоростью вращения на том же валу «двном=30...38 об/мин, это соответствует номинальной мощности электродвигателя Р ^^.=1000... 1250 кВт.
При номинальной мощности двигателей Рдвном.>1250 кВт целесообразно применение безредукторного электропривода.
Однодвигательные редукторные электроприводы выполняются как с электроприводами постоянного тока, так и с электроприводами переменного тока по системе "НПЧ-СД" или "НПЧ-ЧАД" (непосредственный преобразователь частоты - частотноуправляемый синхронный или асинхронный двигатель с КЗ ротором).
На рис. 1 представлена типовая структура системы технологической автоматики и защиты главного привода подъемной машины рудничной шахты, разработанная на основе обобщения опыта разработки систем управления шахтным подъемом для разных объектов на базе программируемых контроллеров (ПК), В качестве базовых устройств автоматики применены устройства серии SIMATIC фирмы "SIEMENS".
Рис. 1. Типовая структура системы технологической автоматики и защиты главного привода подъемной машины рудничной шахты
Типовая структура системы технологической автоматики и защиты главного привода включает следующие устройства:
- шкаф защиты и автоматики ШЗА, организованный на базе программируемого контроллера;
- комплектное преобразовательное устройство (КПУ) управления главным приводом подъемной машины;
- пульт машиниста шахтного подъема, в состав которого входит программируемый контроллер (или пульт-кресло);
- независимый ограничитель скорости ОСН, организованный на базе программируемого контроллера SIMATIC S7-300 фирмы "Siemens";
- щит вспомогательных механизмов ЩВМ, на котором размещена пусковая и защитная аппаратура. Уплотненный канал обмена информацией и
управления с другими устройствами системы организован на базе устройства дистанционного ввода-вывода ЕТ 200М;
- систему стволовой сигнализации и связи;
- устройство управления тормозом;
- местные пульты.
Система управления организована в виде локальной сети с использованием быстродействующих последовательных каналов для обмена информацией между устройствами автоматики, комплектным электроприводом, пультовым оборудованием, системами стволовой сигнализации и связи, системой диспетчеризации. Основу структуры представляет локальная промышленная сеть Profibus DP, связывающая между собой практически все устройства системы. Для связи с видеотерминалом (ПЭВМ) и системой диспетчеризации используется сеть Industrial Ethernet.
Сигналы от всех перечисленных устройств включены в цепь безопасности. Все устройства соединены в локальную промышленную сеть, использующую протокол Profibus DP. Шкаф защит и автоматики ШЗА является ведущим абонентом в сети (Master), другие узлы системы управления - ведомые (Slave).
Протокол обмена Profibus DP соответствует европейскому стандарту EN 50170, часть 2. Физической средой передачи данных является экранированный кабель, содержащий витую пару. Абоненты сети связываются в шлейф соединительным кабелем.
2. Безредукторный электропривод по системе «непосредственный
преобразователь частоты синхронный двигатель» (НПЧ-СД)
В последние 15-20 лет безредукторный электропривод выполняется преимущественно с приводным частотноуправляемым синхронным двигателем.
В Российской Федерации производственная кооперация фирм "МТ S.I.M.AG" (Швейцария) - управляющая (проектами) компания, "SIEMAG M-TEC " (Германия) - фирма изготовитель горного оборудования (подъемные машины, скипы и клети, шкивы, и др.), ОАО «Электропривод» (РФ) - разработчик технической и проектной документации на комплектный электропривод и системы автоматизации, "Elpro GmbH" (Германия) - фирма-интегратор электрооборудования и средств автоматизации осуществляет комплексную поставку и ввод в эксплуатацию оборудования и систем управления, автоматизации и связи подъемных установок с безредуктор-ным электроприводом по системе «НПЧ-СД».
Подъемные машины (многоканатные и барабанного типа) поставляются с современными системами электрогидравлических дисковых тормозов.
Частотно-управляемый синхронный двигатель производства фирмы "SIEMENS AG" имеет три вида исполнения:
а) отдельностоящий (ротор на собственных подшипниках); соединение ротора с валом подъемной машины с помощью муфт);
б) консольный (не имеет собственных подшипников); соединение ротора с валом подъемной машины с помощью фланцев;
в) интегральное исполнение; активные части двигателя: статор и ротор размещаются внутри подъемной машины. При этом статор закреплен на неподвижном валу, а полюса ротора - на внутренней стороне барабана.
В РФ поставлено семнадцать комплектов оборудования подъемных машин фирмы "БШМАО М-ТЕС "с вышеназванным электрооборудованием и системами управления и автоматизации; четыре из них с частотно-управляемыми синхронными двигателями интегрального исполнения.
Силовая схема электропривода и алгоритм управления НПЧ определяется в основном влиянием на питающую сеть и оптимальным использованием габаритной мощности высокомоментного приводного двигателя.
Силовая схема непосредственного преобразователя частоты НПЧ электропривода построена на основе многофазных (по питанию и нагрузке) схем.
Для реализации применения принята эквивалентная двенадцати-пульсная схема по отношению к питающей сети и нагрузке. Это достигается использованием двух трехфазных по выходам НПЧ (НПЧ1 и НПЧ2), питание которых осуществляется от двух четырехобмоточных преобразовательных трансформаторов с соединением вторичных обмоток одного из них в «звезду», а другого - в «треугольник» (сдвиг вторичных напряжений одноименных фаз составляет 30 эл. град).
Так как оба НПЧ работают на магнитосвязанную нагрузку (на две трехфазные системы статорных обмоток синхронного двигателя), то и в нагрузке в результате образуются двенадцатифазные пульсации.
На рис. 2 приведена схема электрическая общая главного привода НПЧ-СД в однолинейном изображении.
Электропривод по системе «непосредственный преобразователь частоты - синхронный электродвигатель» является нелинейной нагрузкой для питающей шины которая обуславливает потребление реактивной мощности из питающей сети и генерирование гармоник тока высшего порядка в питающую сеть.
В НПЧ уменьшение потребления реактивной мощности достигается при использовании алгоритмов управления, обеспечивающих трапецеидальный характер гладких составляющих выходных фазных напряжений.
В общем случае гладкая составляющая трапецеидального напряжения содержит кроме первой гармонической составляющей и составляющих, кратных трем, также нечетные гармонические составляющие.
Оптимизация параметров управляющего напряжения обеспечивает минимизацию процентного содержания пятой и седьмой гармонических
составляющих при максимально возможной амплитуде первой гармонической составляющей.
бтй,™ П(
Рис. 2. Частотно-регулируемый синхронный электропривод большой мощности с НПЧ по эквивалентной 12 пульсной схеме и СД с двумя трехфазными системами статорных обмоток без здвига одноименных
фаз в пространстве: ф¥1-ОЕ3 - выключатели высоковольтные; Т1, Т2 - преобразовательные трансформаторы; Т3 - трансформатор
возбудителя; СТ1 (НПЧ1), СТ2 (НПЧ2) - секции тиристорные; КШ - коммутатор шинный; ВТ - шкаф возбудителя тиристорного ВТ; СД - синхронный двигатель; ОВ СД - обмотка возбуждения СД
Как все коммутируемые напряжением питающей сети преобразователи, НПЧ «генерирует» широкий спектр высших гармонических составляющих первичного тока. Не оказывая практического влияния на коэффи-
циент мощности установки, высшие гармоники тока вызывают искажения кривой питающего напряжения.
При больших значениях отношения и неограниченной мощности питающей сети для оценки спектра высших гармонических кривой первичного тока справедливо выражение
где - частота высших гармонических составляющих; Г! - частота питающей сети; - частота выходного напряжения НПЧ; с - целое число, кратное 1, 2, 3, ...; т1 - пульсность преобразователя; п - целое число, кратное 0,1,2,...
В формуле член (ст1±1) выделяет гармонические составляющие, характерные для обычного выпрямителя, а член 6п£г - так называемые «боковые» частоты, характерные для НПЧ.
Амплитуды высших гармонических НПЧ меньше соответствующих амплитуд высших гармонических составляющих в аналогичной схеме выпрямителя. Последнее обстоятельство обусловлено геометрическим сложением гармонических составляющих тока трех реверсивных преобразователей, образующих НПЧ.
В настоящее время многие организации и фирмы разработали компьютерные программы, которые с той или иной степенью корректности позволяют рассчитывать амплитуды высших гармоник тока во входном токе, учитывая вышеизложенные положения.
Синхронный двигатель как объект автоматического регулирования представляет собой систему взаимосвязанных контуров. Системы дифференциальных уравнений, записанных в реальных координатах, содержат нелинейные уравнения с периодическими коэффициентами.
Основными элементами синтеза САР электроприводов такого типа являются дифференциальные уравнения объекта регулирования и методы преобразования этих дифференциальных уравнений при изменении систем координат (систем отсчета), в которых формируются управляющие воздействия.
В основе методики лежит представление нестационарного многосвязного объекта (каким является СД) в виде некоторой совокупности стационарных подобъектов с линейными звеньями в основных каналах регулирования и принципы подчиненного регулирования переменных с последовательной коррекцией параметров.
В системе электропривода осуществляются координатные преобразования регулируемых переменных, а также вычисления (с помощью математических моделей элементов объекта регулирования) значений переменных, трудно поддающихся непосредственному измерению.
Алгоритм управления, реализуемый САР частотноуправляемого СД, определяется характером нагрузки и динамическими требованиями. Для шахтных подъемных машин определяющим является степень исполь-
зования высокомоментного двигателя. Это достигается поддержанием во всем диапазоне скоростей и нагрузок потокосцепления статора у8 на номинальном уровне и совфда=1Д
На рис.3 приведена функциональная схема частотно-регулируемого синхронного привода на базе НПЧ и с микропроцессорной САР, синтезируемую в координатах
Рис. 3. Функциональная схема частотно-регулируемого синхронного электропривода на базе НПЧ и с микропроцессорной САР: ДП - датчик положения; ПК1, ПК2, РК3, ПК4 - преобразователи координат;
РС - регулятор скорости; РТФ - регулятор фазных токов;
РТВ - регулятор возбуждения; БН- блок нелинейности;
ТГ - тахогенератор
Структура САР обеспечивает достижение высоких динамических показателей и реализацию алгоритмов управления СД: /у8/=сопБ1 или/у§/=сопБ1 .
САР имеет два канала регулирования:
- канал регулирования момента, в котором контуры регулирования токов статора подчинены контуру регулирования скорости;
- канал регулирования потокосцепления обмотки ротора, в котором на входе контура регулирования тока возбуждения у включены вычислитель 4 и нелинейный функциональный преобразователь Бн для реализации двухзонного регулирования скорости.
Формирование задающих и управляющих воздействий САР осуществляется в трех системах координат:
- связанной с вектором потокосцепления у^ или у§ (формирование заданных значений / 8, у 8, у 5 и регулятора скорости);
- связанной с ротором (вычисление составляющих потокосцепле-ний у а и уч модуля потокосцепления /у/ и угла нагрузки 5; а также вычис-
лители 4 и и и регулятор тока возбуждения);
- связанной со статором (регуляторы фазных токов, датчики переменных).
Координатные преобразователи ПКЬ ПК2, ПК3, ПК4 осуществляют связь частей САР, синтезируемых в разных системах.
3. Тиристорный электропривод постоянного тока На рис.4 представлена система регулирования параметров электропривода подъемной установки.
Рис. 4. Система регулирования параметров электроприводов подъемной установки: ЗИ - задатчик интенсивности; РС - регулятор
скорости; ИД1, ИД2 - импульсные датчики скорости; РТЯ1, РТЯ2 - регуляторы тока якоря; СИФУ Я1, СИФУ Я2, СИФУ Я5, СИФУЯ6 - система импульсного фазового управления реверсивными
мостовыми преобразователями; СИФУ В - система импульсно-фазового управления выпрямителем системы возбуждения;
РТВ - регулятор тока системы возбуждения
Система регулирования имеет три контура регулирования. Внешний контур регулирования - контур скорости. Он состоит из пропорцио-
нально- интегрального регулятора (PC), импульсного датчика скорости (ИД), цифрового преобразователя скорости (ШСД) и обратной связи по скорости.
Выходной сигнал блока регулятора скорости формируется как сумма трех сигналов:
- выходного сигнала собственно ПИ-регулятора скорости;
- сигнала статического момента нагрузки;
- сигнала динамического момента двигателя, пропорционального ускорению (замедлению) подъемной машины.
Наличие сигнала динамического момента двигателя позволяет обеспечить практическое отсутствие динамической ошибки по скорости, т.е. отклонения действительного значения скорости от ее заданного значения при ускорениях (замедлениях) подъемной машины. Тем самым обеспечивается точное выполнение заданной диаграммы движения.
Входной сигнал регулятора скорости формируется программируемым задатчиком интенсивности устройства SIMORЕG. Задатчик обеспечивает формирование входного сигнала для регулятора скорости с учетом ограничений на темп изменения сигнала (снятие «рывка») при изменениях уставок скорости подъемной машины в соответствии с заданной диаграммой движения или при воздействиях от машиниста подъемной установки.
Сигнал обратной связи по скорости поступает от импульсного датчика (ИД1), присоединенного к валу двигателя. Импульсный датчик (ИД2) предназначен для ввода информации о скорости в SIMATIC S7-300. Обработка сигналов импульсного датчика обеспечивает получение информации о положении подъемных сосудов в стволе.
Два внутренних контура образуют регуляторы тока (РТЯ1 и РТЯ2) каждого реверсивного тиристорного выпрямителя с обратными связями по токам, осуществляемыми от трансформаторов тока, расположенных на сетевых входах каждого преобразователя. Передача задания на регулятор тока РТЯ2 проходит через последовательный интерфейс. Регуляторы тока пропорционально-интегральные.
L. Dackovskyi, V. Rogovoi, I. Kuznetsov, A. Gidkov, A. Volikov
The electric drive of modern mine hoist engines
Problems of development and industrial introduction of electric drives for mine lifting machines are considered. Two industrial electric drives with cycloconverter-fed synchronous motors drives and DC drives are describe.
Keywords: electric drives with synchronous motors drives, cycloconverter-fed, DC drives.
Получено 06.07.10
