CC BY
44
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2022;(5—2):145—162 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 62-83:621.69 DOI: 10.25018/0236_1493_2022_52_0_145
ЭЛЕКТРОПРИВОД СОВРЕМЕННЫХ ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ МАШИН
Б. И. Абрамов1, А. Г. Иванов1, В. А. Шиленков1, И. К. Кузьмин1, Ю. В. Шевырев2
1 ООО «Электротехническая промышленная компания» (ООО «Электропром»), Москва, Россия, e-mail: [email protected] 2 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ МИСиС), Москва, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация: Подъемные установки шахт и рудников — наиболее сложные и ответственные объекты в общей технологической цепи транспортирования полезного ископаемого из забоя на поверхность. В большинстве случаев подъемная установка является единственным звеном, связывающим горные работы с поверхностью. Основными решениями для шахтных подъёмных машин являются частотно-регулируемые синхронные и асинхронные электроприводы. При модернизации существующих электроприводов постоянного тока применяется система «тиристорный преобразователь — двигатель постоянного тока». В статье представлен опыт работы сотрудников ООО «Электротехническая промышленная компания» по разработке и внедрению безредукторных тихоходных электроприводов постоянного и переменного тока для шахтных подъёмных машин производства ПАО «Уралмашзавод». Приведено описание реализованных сотрудниками компании проектов, указаны особенности выбора того или иного типа электропривода шахтных подъёмных машин. Приведено описание безредукторного ти-ристорного электропривода постоянного тока, который применяется при модернизации скиповых и клетевых подъёмных установок. Проанализированы качество электроэнергии при работе тиристорного электропривода постоянного тока шахтных подъёмных установок и мероприятия по его улучшению. Рассмотрены электроприводы переменного тока шахтных подъёмных машин без редуктора на базе низкооборотных синхронных электродвигателей с преобразователями частоты с непосредственной связью, которые в настоящее время работают на производственных площадках компаний ПАО «ГМК «Норильский никель» и ОАО «Уралкалий». Дано описание современных электроприводов шахтных подъёмных машин без редуктора на базе низкооборотных синхронных электрических машин с высоковольтными преобразователями частоты с активным выпрямителем. Приведено сравнение электроприводов ШПМ с различными типами преобразователей по наиболее важным практическим показателям.
Ключевые слова: электропривод, шахтная подъёмная машина, электродвигатель, тири-сторный преобразователь, преобразователь частоты, активный выпрямитель напряжения, качество электроэнергии, уменьшение номинального тока инвертора. Для цитирования: Абрамов Б.И., Иванов А.Г., Шиленков В. А., Кузьмин И.К., Шевырев Ю. В. Электропривод современных шахтных подъёмных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 5—2. — С. 145—162. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_52_0_145.
© Б. И. Абрамов, А. Г. Иванов, В. А. Шиленков, И. К. Кузьмин, Ю. В. Шевырев. 2022
Electric drive of modern mining machines
B. I. Abramov1, A. G. Ivanov1, V. A. Shilenkov1, I. K. Kuzmin1, Yu. V. Shevyrev2
1 "Electrotechnical Industrial Company" LLC("Electroprom" LLC), Moscow, Russia, e-mail: [email protected] 2 National University of Science and Technology MISiS (NUST MISIS), Moscow, Russia,
e-mail: [email protected]
Abstract: Hoisting machines of mines are the most complex and critical objects in the overall technological chain of transportation of minerals from the deposit to the surface. In most cases, the hoist is the only link between mining operations and the surface. The main solutions for mine hoisting machines are: frequency-controlled synchronous and asynchronous electric drives. When modernizing existing DC drives, a thyristor converter-DC motor system is used. The article presents the experience of LLC "Electrotechnical Industrial Company" in the design and implementation of gearless low-speed AC and DC electric drives for mine hoisting machines manufactured by PJSC "Uralmashzavod". A description of the projects implemented by the company's employees is given, the specific of choosing one or another type of electric drive for mine hoisting machines is shown. A description of a gearless thyristor DC electric drive is given, which is used in the modernization hoisting machines. The quality of electricity and measures to improve it during the operation of a thyristor DC electric drive of mine hoisting machine are considered. AC electric drives of mine hoisting machines without a gearbox based on low-speed synchronous electric motors with frequency converters with direct communication, which are currently operating at the production sites of PJSC MMC Norilsk Nickel and OJSC Uralkali, are considered. A description of modern electric drives of mine hoisting machines without a gearbox based on low-speed synchronous electric machines with high-voltage frequency converters with active front end rectifiers is given. The comparison of electric drives of hoists with different types of converters is given according to the most important practical indicators. Key words: electric drive, mine hoisting machine, electric motor, thyristor converter, frequency converter, active voltage rectifier, power quality, reducing the rated current of the inverter. For citation: Abramov B. I., Ivanov A. G., Shilenkov V. A., Kuzmin I. K., Shevyrev Yu. V. Electric drive of modern mining machines. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2022;(5-2):145-162. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_52_0_145.
Введение
Организация ООО «Электротехническая промышленная компания» (ООО «Электропром»), г. Москва, начала свою деятельность в 2007 г. Коллектив компании в основном состоит из бывших сотрудников ОАО «Электропривод» (ранее ВНИИЭлектропривод). Во ВНИИЭлектропривод были заложены основы регулируемого электропривода постоянного и переменного тока для крупных электроприводов в металлургической и горной промышленности [1]. В составе организации в свое время работали такие крупные ученые,
как Юньков М. Г., Слежановский О. В., Католиков В. Е., Дацковский Л. Х. и другие видные ученые и специалисты в области электропривода. В настоящее время ценные практические наработки компании реализуются в проектах горной и нефтегазовой промышленности [2, 3].
Регулируемый электропривод шахтных подъёмных машин (ШПМ) является уникальным, именниковым изделием, к которому предъявляются высокие требования обеспечения надежности и безопасности шахтного подъема [4].
В статье представлен опыт работы по проектированию и внедрению без-редукторных тихоходных электроприводов постоянного и переменного тока для шахтных подъёмных машин производства ПАО «Уралмашзавод».
В настоящее время электропривод безредукторных тихоходных электроприводов ШПМ реализуется на основе следующих технических решений, которые рассмотрены подробно далее:
— электропривод постоянного тока по системе «тиристорный преобразователь-электродвигатель постоянного тока» (система ТП-ДПТ);
— электропривод переменного тока с непосредственным преобразователем частоты (НПЧ) и синхронным двигателем;
— электропривод переменного тока на основе трехуровневого инвертора с нейтральной точкой и синхронного двигателя.
На практике для безредукторных электроприводов ШПМ встречаются и другие решения, например, применяются двухуровневые низковольтные инверторы напряжения или тихоходные асинхронные двигатели вместо синхронных, однако эти решения носят единичный характер, имеют ограничения и не получили широкого распространения в России.
Электропривод постоянного
тока по системе «тиристорный
преобразователь-электродвигатель
постоянного тока»
Электропривод постоянного тока является наиболее распространенным на данный момент в РФ приводом для безредукторных приводов ШПМ. Простота силовой схемы и простота настройки системы управления являются для заказчика важными преимуществами при выборе такого типа электропривода.
Распространенным решением в проектах является применение управляющего модуля фирмы «Сименс» Sinamics DC Master, который дает возможность интегрировать электропривод в современные системы автоматизации и обеспечивает высокий уровень диагностики.
Внедрение новых электроприводов постоянного тока в настоящее время хотя и не носит массовый характер, однако присутствует на рынке и зависит от предпочтений заказчика. Так, в 2018 г. в результате полной модернизации скипового шахтного подъема шахты «Эксплуатационная» ПАО «Гайский ГОК» была успешно введена в работу восьмиканатная ШПМ со шкивом трения производства ПАО «Уралмашзавод». Глубина подъема составила 1375,2 м, скорость подъема 16,5 м/с, грузоподъёмность 50 тонн. Для подъёма был применен двухдвига-тельный электропривод, с мощностью каждого двигателя 5500 кВт и частотой вращения ротора 63 об/мин. Однолинейная схема электропривода представлена на рис. 1.
Питание якорной обмотки каждого двигателя обеспечили шесть параллельно включенных силовых тири-сторных выпрямителей Sinamics DCM фирмы «Сименс» с током каждого выпрямителя 2200 А. Силовые модули встроены в силовую сборку, разработанную компанией ООО «Электро-пром».
Для данной шахты была также произведена модернизация электродвигателя и преобразовательной части клетевой ШПМ. Двухдвигательный электропривод постоянного тока мощностью 2х750 кВт с частотой вращения ротора 46 об/мин был заменен на двухдвигательный электропривод мощностью 2х1100 кВт с частотой вращения ротора 46 об/мин.
Рис. 1. Однолинейная схема силовой части электропривода постоянного тока Fig. 1. Single-line diagram of the power section of a DC drive
Ввод в эксплуатацию электропривода ШПМ по системе «тиристорный преобразователь-электродвигатель» постоянного тока создаёт проблему ухудшения качества электроэнергии в системе электроснабжения.
Применение 12-пульсной схемы выпрямителя в схеме электрооборудования позволяет уменьшить суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения Ки по сравнению со случаем 6-пульсной схемы выпрямления. Однако его величина существенно зависит от режимов работы электропривода и схемы электроснабжения. Поэтому для уменьшения искажений синусоидальной формы напряжения сети применяются фильтро-компенсирующие устройства (далее — ФКУ), которые обеспечивают одновременно компенсацию реактивной мощности основной частоты и фильтрацию высших гармонических составляющих [5, 6, 7].
На основе выполненных исследований было спроектировано и изготовлено ФКУ, которое было поставлено на шахту «Эксплуатационная» ПАО «Гайский ГОК».
В состав ФКУ вошло как статическое ФКУ с фильтрами 5,7,11,23 гармоник, так и динамическое компенсирующее устройство для компенсации просадок напряжения питающей сети. Расчет, изготовление и поставку ФКУ выполнила фирма Mashinenfabrik Яе^а^еп AG (Германия), которая специализируется на решениях по компенсации влияния на сеть крупных электроприводов постоянного и переменного тока.
На рис. 2 и 3 приведены результаты экспериментальных исследований, полученные сотрудниками ООО «Электропром» при проведении пуско-наладочных работ тиристорного электропривода постоянного тока скиповой ШПМ для двух случаев: ФКУ отсутствует, ФКУ включено. На осцил-
— Ск Ярость подъемнЬи машины, м/с
ч
1 г
J дек
1900 200D
1000 6.4-1
Рис. 2. Результаты экспериментальных исследований. Отсутствие ФКУ Fig. 2. Results of experimental studies. Lack of Filter Compensating Device
— Ток якоря М1, А 1 __, L
k-
i 1 Л
hi
П 1— --J 11 J
№ +4 —селс.
1900 2000
лограммах приведены графики изменения во времени следующих величин: действительная скорость скипа 1, ток якоря электродвигателя М1, линейное напряжение L1-L2 на вводе 1, ток L1 на вводе 1, суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения THD UL1 на вводе 1, активная и реактивная мощности на вводе 1.
На основании анализа результатов экспериментальных исследований можно сделать вывод, что при отсутствии ФКУ суммарный коэффициент гармонических составляющих напря-
жения THD UL1 во время работы электроприводов достигает в установившемся режиме 12,5%, что превышает нормативное значение 5% [8].
Реактивная мощность при отсутствии ФКУ в начале пуска электропривода достигает значения 10000 кВАр, в установившемся режиме — 6000 кВАр.
Включение ФКУ приводит к значительному снижению суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения во время работы электропривода. Его значение не пре-
Рис. 3. Результаты экспериментальных исследований. Включение ФКУ Fig. 3. Results of experimental studies. Switching on Filter Compensating Device
вышает 1,75%, что меньше нормативного значения, равного 5% (ГОСТ 32144 — 2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — М.: Стандартинформ, 2014. — 20 с.).
Наличие ФКУ приводит к уменьшению максимальной реактивной мощности в начале пуска электропривода с 10000 до 7000 кВАр, в установившемся режиме — с 6000 до 1000 кВАр.
Применение новых ШПМ с приводом постоянного тока, несмотря на его
преимущества, ограничивается следующими моментами:
— трудоемкость в изготовлении и обслуживании двигателя постоянного тока;
— сокращение компаний, производящих электродвигатели постоянного тока высокого качества (для указанных проектов двигатели были поставлены АО «Силовые машины»);
— необходимость применения ФКУ, чтобы добиться приемлемых показателей качества электроэнергии;
— большие массогабаритные показатели силовой части, включая автоматические быстродействующие
токоограничивающие выключатели с временем отключения 3 мс, дроссели, шинные мосты.
Электропривод переменного тока с непосредственным преобразователем частоты (НПЧ) и синхронным двигателем
Преимущества системы «тири-сторный преобразователь частоты с непосредственной связью-синхрон-ный двигатель» (система НПЧ — СД) по сравнению с системой «тиристор-ный преобразователь-двигатель постоянного тока» (система ТП-ДПТ): более высокий КПД (0,93 против 0,88...0,91); уменьшение эксплуатационных затрат и повышение надёжности; повышенная перегрузочная способность в нештатных ситуациях; меньший момент инерции (в 1,2 — 1,8 раз); нет конструктивных ограничений при возрастании номинальных значений мощности и момента, отпадает необходимость применения при больших мощностях двухдвигательного привода; на изготовление СД расходуется меньше электротехнической стали и меди (для СД 4000 кВт, 60 об/мин, экономия меди 1,7 т (20%) [8].
Отечественная теория построения и управления НПЧ была разработана в конце 1970-х — начале 1980-х годов [9, 10]. Преобразователь частоты с непосредственной связью или непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) применяется для мощных тихоходных безредукторных электроприводов ШПМ, конвейеров, мельниц. Преобразователи применяются и для электроприводов прокатных станов через повышающие редукторы.
НПЧ позволяет применить для регулируемого электропривода сравнительно простые синхронные и асинхронные двигатели. Кроме того, диапазон выходной частоты НПЧ от 0
до 10 Гц является основным диапазоном частотно-регулируемых двигателей ШПМ. Количество полюсов у двигателей, работающих от НПЧ, составляет 16 — 20.
Принципиальная схема силовой части электропривода с синхронным двигателем и НПЧ представлена на рис. 4. На схеме показаны два комплекта преобразователей с двумя четы-рехобмоточными трансформаторами, вторичные обмотки которых сдвинуты на 30 электрических градусов. Двигатель имеет расщепленную обмотку статора, а подключение преобразователей к двигателю выполнено через шкаф шинной коммутации.
Решение с двумя комплектами электроприводов обеспечивает 12-пульс-ную схему выпрямления, а шкаф шинной коммутации повышает надежность работы шахтного подъема. В случае выхода из строя одного из ПЧ шинный коммутатор осуществляет коммутацию обмоток статора таким образом, что может быть продолжена работа электропривода с сохранением грузоподъемности ШПМ, но с половиной максимальной скорости.
Как все коммутируемые напряжением питающей сети преобразователи, НПЧ генерирует широкий спектр высших гармонических составляющих первичного тока. Высшие гармоники тока вызывают искажения кривой питающего напряжения. Улучшение гармонического состава кривой тока питающей сети достигается установкой входных индуктивно-емкостных фильтроком-пенсирующих устройств (ФКУ). ФКУ обычно состоит из четырех фильтров, отстроенных на 5, 7, 11, 23 гармоники. На частоте 50 Гц фильтры являются компенсаторами реактивной мощности, генерируемой приводом подъема. ФКУ должно включаться в сеть параллельно с каждым электроприводом.
Puc. 4. Силовая схема преобразователя частоты с НПЧ
Fig. 4. Power circuit of the frequency converter with direct frequency converter
Несколько десятков электроприводов переменного тока по системе НПЧ — СД внедрены на объектах ПАО «ГМК «Норильский никель», ОАО «Уралкалий».
НПЧ могут быть изготовлены с воздушным охлаждением до мощности 18 МВА, что является важным обстоятельством при эксплуатации в северных регионах.
Электропривод переменного тока на основе трехуровневого инвертора с нейтральной точкой и синхронного двигателя
Ведущие мировые электротехнические компании разработали и предла-
гают машиностроительным компаниям комплекты электроприводов, специально разработанные под класс механизмов, к которым относятся, наряду с ШПМ, широкополосные станы горячей и холодной прокатки, мельницы, специальные испытательные стенды. Преобразователи в данных комплектах выполнены по схеме трехуровневого инвертора напряжения. Топология такого преобразователя позволяет реа-лизовывать как схемы индивидуального, так и схемы группового электропривода.
Принципиальная схема ПЧ с трехуровневым инвертором представлена
на рис. 5. Основными элементами преобразователя частоты являются: активный выпрямитель напряжения, промежуточный контур напряжения с конденсатором, инвертор двигателя. Преобразователь снабжён датчиками тока ДТ и напряжения ДН.
Применение активного выпрямителя напряжения (АВН) для электропривода ШПМ позволяет решить следующие задачи [11 — 13]:
— стабилизация выпрямленного напряжения на заданном уровне путем
воздействия на амплитуду заданных фазных токов сети;
— формирование фазных токов сети, близких по форме к синусоиде, путём воздействия на напряжения управления;
— поддержание заданного коэффициента мощности сети (индуктивного, емкостного или равного единице) путем воздействия на напряжения управления;
— передача энергии из сети переменного напряжения в цепь постоянного напряжения и в противополож-
Рис. 5. Принципиальная схема силовой части трехуровневого преобразователя частоты с промежуточным контуром напряжения
Fig. 5. Schematic diagram of the power section of a three-level frequency converter with an intermediate voltage circuit
ном направлении (режим рекуперации электроэнергии).
Рекуперативные преобразователи частоты обладают повышенной устойчивостью к сбоям в электросетях. Блок активного выпрямителя преобразователя частоты работает как воль-тодобавочное устройство, позволяя поддерживать напряжение на двигателе на нормальном уровне, даже если напряжение питания падает ниже номинала.
Одним из преимуществ применения для электропривода ШПМ системы «полупроводниковый преобразователь частоты с активным выпрямителем-синхронный двигатель» по сравнению с системой НПЧ — СД является возможность исключения ФКУ [14].
Активный выпрямитель и инвертор для индивидуального электропривода не отличаются друг от друга по своим характеристикам, а элементы силовой части в них взаимозаменяемы [15].
На рис. 6 представлена однолинейная схема электропривода восьмиканатной ШПМ со шкивом трения производства ПАО «Уралмашзавод» для Ново-Уча-линского подземного рудника компании АО «Учалинский ГОК». Глубина подъема 1390 м, скорость подъема 16,5 м/с, грузоподъёмность 50 тонн. Для подъёма был применен двухдвигательный электропривод с мощностью каждого двигателя 5500 кВт и угловой частотой ротора 63 об/мин.
При выборе ПЧ для привода ШПМ следует руководствоваться как общими критериями выбора: перегрузка, эквивалентная мощность, так и специфическими свойствами работы ПЧ с широтно-импульсной модуляцией (в том числе и с релейным управлением токовым контуром). Одним из таких важных свойств является снижение допустимого длительного тока ПЧ при выходной частоте ниже 10 Гц [16].
На рис. 7 представлена характеристика снижения длительного допустимого тока ПЧ при уменьшении выходной частоты [16]. При нулевой частоте допустимый длительный ток ПЧ снижается до 50%.
Поэтому при выборе оборудования необходимо либо применять специальные ПЧ, созданные с учетом характерных нагрузок, либо осуществлять выбор мощности ПЧ с учетом повышающих коэффициентов, обеспечивающих запас по мощности.
Поскольку на практике для безре-дукторных ШПМ, как правило, применяют двигатели с числом полюсов 16...20, то максимальная выходная частота составляет для скиповых подъемов 6...10 Гц, для клетевых машин 5.8 Гц. Поэтому учет снижения допустимого длительного тока при выборе преобразователей частоты с промежуточным контуром напряжения является необходимым условием надежной и длительной работы электропривода. Следует отметить, что у выпрямителей приводов постоянного тока и НПЧ нагрузочная способность при уменьшении выходной частоты не снижается.
В современных высоковольтных преобразователях частоты с промежуточным контуром напряжения используются три основных типа силовых ключей: 1) ЮСТ-тиристор, 2) ЮВТ-транзистор, 3) IEGT-транзистор.
Следует отметить, что ^СТ-тиристоры в силу своей таблеточной конструкции и принципа работы лучшим образом приспособлены для работы с низкими выходными частотами. Так, снижение длительного допустимого тока ПЧ с такими ключами закачивается уже на частоте 2,5 Гц.
Важным вопросом для ПЧ является электромагнитная совместимость с питающей сетью.
Puc. 6. Однолинейная схема электропривода подъемной машины с преобразователями частоты с трехуровневыми инверторами напряжения
Fig. 6. Single-line diagram of an electric drive of a hoisting machine with frequency converters with three-level voltage inverters
I Г
3 10 15
Выходная частота ПЧ, Гц
Puc. 7. Характеристика снижения номинального тока ПЧ от выходной частоты Fig. 7. Characteristic of reducing the rated current of the inverter from the output frequency
На рис. 8 представлен спектр гармоник ПЧ с широтно-импульсной модуляцией для частоты переключения 150 (1-й тип модуляции), 250 (2-й тип модуляции), 450 Гц (3-й тип модуляции). Из рисунка видно, что при увеличении частоты переключения подавляются гармоники низких порядков, однако возрастают гармоники высоких порядков. Поэтому одной из задач
при выборе ПЧ является проверка его на совместимость с питающей сетью и соответствие генерируемых преобразователем гармоник нормативным документам.
Ключевую роль в ослаблении гармоник тока играет напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора и мощность короткого замыкания сети в точке подключения.
Puc. 8. Зависимость напряжения, генерируемого ПЧ в питающую сеть, от частоты переключения ключей
Fig. 8. Dependence of the voltage generated by the inverter into the supply network from key switching frequency
Поэтому на практике рекомендуется устанавливать каждый привод с активным выпрямителем на ввод с мощностью короткого замыкания около 200 МВА. Напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора для приводов мощностью 5500 кВт достигает 21%.
Гармоники тока, возникающие как производные гармоник напряжения в ПЧ, определяются исходя из соотношения
Ih = £1
U
h £1
л/3 •[ Xt1 + Xppc ]•h 1 t1 sc 1
(1)
где h — порядок гармоники; Uhe1 — гармоника напряжения порядка h; Xt1 — сопротивление преобразовательного трансформатора; Xpp — суммарное сопротивление сети в точке подключения.
Тогда гармоники напряжения в точке подключения РРС будут определены по соотношению
иЛ 0=л/3 • А • ХРРС • Л. (2)
£ррс2 £1 ЭС
Пример ослабления гармоник напряжения в точке подключения привода, рассчитанный по соотношениям (1) и (2), представлен на рис. 9.
Исходя из сказанного, можно сделать вывод, что хотя ПЧ с активным выпрямителем и генерирует гармоники напряжения в питающую сеть, но их уровень при правильном проектировании сети и выборе параметров преобразовательного трансформатора остается в пределах нормы. В противном случае ослабление гармоник возможно посредством применения ФКУ [17], либо других способов повышения качества электроэнергии [18, 19, 20].
Обсуждение результатов
В таблице представлено сравнение электроприводов ШПМ с различными типами преобразователей по наиболее важным практическим показателям, которые рекомендуются для исполь-
15 10 5 0
15 10 5 0
Гармоники, генерируемые в сеть
. 1 1, 1 1 ■ 1 1 . .1 1 . 11 1 ■ 11 1 1 1 ■ ■ a
5 7 1113
1719 23 25 29 31 35 37 Номер гармоники
41 43 4749
Гармоники на выходе п
реобразователя
I il III llll ........
5 7
1113 1719 2325 2931 3537 4143 4749 Номер гармоники
Puc. 9. Пример ослабления гармоник напряжения, генерируемых преобразователем частоты в точке подключения электропривода
Fig. 9. Example of attenuation of voltage harmonics generated by a frequency converter at the connection point of the drive
№ Наименование Привод посто- Привод с НПЧ Привод с ПЧ
п.п. показателя янного тока с трехуровневым инвертором и активным выпрямителем
1 КПД электропри- 90% 93% 92,6%
вода (двигатель, (КПД выпрями- (КПД выпрямителя (КПД ПЧ 98,5%)
преобразователь, теля 99%) 99%)
трансформатор, без
учета ФКУ)
2 Генерация реактивной мощности, средний cosф за цикл подъема, без учета ФКУ/с ФКУ 0,4...0,5/0,7...0,8 0,4.0,5/0,7.0,8 1
3 Охлаждение для двигателей мощностью от 1600 до 7000 кВт воздушное воздушное жидкостное
4 Тип применяемых SCR тиристоры SCR тиристоры IGCT тиристоры
ключей (сетевые) (сетевые) (Siemens, ABB) IEGT транзисторы (TMEIC)
5 Устойчивость к про- Низкая, воз- Низкая, возможно Высокая. В ПЧ
валам напряжения можно опроки- опрокидывание отсутствует
питающеи сети дывание инвертора инвертора коммутация ключей за счет сетевого напряжения
6 Необходимость применения ФКУ для соответствия нормам качества питающей сети и компенсации просадок напряжения Обязательно Обязательно Для сети с мощностью к.з. более 200 МВА не обязательно
7 Двигатели Двигатель посто- Синхронный дви- Синхронный
для ШПМ от 1600 янного тока: гатель: двигатель:
до 7000 кВт трудоемкость простая кон- простая
изготовления, струкция, лучшее конструкция,
большой вес, использование лучшее
трудоемкость по массе, потре- использование
в обслуживании. бляется только по массе,
Исполнение активная мощ- потребляется только
на стояковых ность, возмож- активная мощность,
подшипниках ность изготовления консольным (без подшипников) возможность изготовления консольным (без подшипников)
зования Заказчиком при выборе типа электропривода ШПМ.
Заключение
Внедрение новых электроприводов постоянного тока в настоящее время не носит массовый характер и зависит в основном от пожелания заказчика.
Применение 12-пульсной схемы выпрямления для системы ТП-ДПТ существенно снижает 5,7,17,19 и т.д. гармоники в кривой напряжения на стороне 6 кВ. Однако при отсутствии ФКУ суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения во время работы электроприводов в установившемся режиме превышает нормативное значение 5%.
Включение ФКУ приводит к снижению суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения во время работы электропривода до значений меньше нормативного значения 5%.
Исходя из опыта проектирования и эксплуатации, сделан вывод, что наиболее перспективным является применение ПЧ с трехуровневым инвертором напряжения и активным выпрямителем напряжения. Проблема жидкостного охлаждения и, соответственно, водоподготовки, которая вызывает опасения у персонала горнорудных предприятий, в настоящее время решается применением локальных, замкнутых систем водоподготовки с применением чиллеров.
Преимуществами разработанных частотно-регулируемых систем электроприводов переменного тока с активным выпрямителем являются: возможность рекуперации до 100% мощности; обеспечение нормативного суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения питающей сети; уменьшение эксплуатационных расходов; коэффициент мощности, равный единице; стабильное выходное напряжение при всех условиях нагрузки и колебаниях напряжения питания.
Так как для ШПМ необходимо обеспечение пониженных скоростей движения подъёмных сосудов, то учет снижения допустимого длительного тока при выборе преобразователей частоты с промежуточным контуром напряжения является необходимым условием надежной и длительной работы электропривода.
Все рассмотренные типы электроприводов успешно эксплуатируются в РФ. Выбор типа преобразователя, как правило, производит заказчик с учетом своих технических предпочтений, условий эксплуатации, уровня подготовки персонала. Приведены критерии, которые могут быть полезны заказчику при выборе типа электропривода ШПМ.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов Г. М. Автоматизированный электропривод в промышленности. — Ульяновск: УлГТУ, 2013. — 442 с.
2. Абрамов Б. И., Коган А. И. и др. Частотно-регулируемый электропривод буровых установок БУ — 4200/250 // Электротехника. — 2009. — №1. — С. 8 — 13.
3. Дацковский Л. Х., Абрамов Б. И., Шевырева Н. Ю., Шевырёв Ю. В. Электропривод стационарных установок в горной промышленности // Труды X Международной конференции по автоматизированному электроприводу АЭП 2018, Новочеркасск, 3—6 октября 2018 г. 2018. — С. 169 — 174.
4. Католиков В. Е., Динкель А. Д. Динамические режимы рудничного подъёма. — М.: Недра, 1995. — 448 с.
5. Ziad M. Ali, Faisal Q. ALenezi, Sameh S. Kandil, Shady H. E. Abdel Aleem. Practical considerations for reactive power sharing approaches among multiple-arm passive filters in non-sinusoidaL power systems // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2018, vol. 103, pp. 660-675.
6. Boudebbouz O., Boukadoum A., Medoued A. Effective electric power quantities and the sequence reference frame: A comparison study // Electric Power Systems Research. 2016, vol. 140, pp. 485-492.
7. До Тхань Лич Исследование, оценка и предложения по решению проблемы качества электроэнергии для системы электроснабжения глиноземного завода в Лам Донге, Вьетнам // Горные науки и технологии. — 2021. — № 2. — С. 121 — 127. DOI: 10.17073/25000632-2021-2-121-127.
8. Дацковский Л.Х., Роговой В. И. Электроприводы с синхронными двигателями // Машиностроение. Энциклопедия. Т. IV-2. Электропривод, гидро- и виброприводы. Кн. 1. Электропривод. — М.: Машиностроение, 2012. — С. 319—367.
9. Жемеров Г. Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. — М.: Энергия, 1977. — 280 с.
10. Слежановский О. В., Дацковский Л. Х., Кузнецов И. С. и др. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 256 с.
11. Виноградов А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. — Иваново: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина», 2008. — 298 с.
12. Shevyreva N. Yu. Effects of active rectifiers on power quality in supply systems in mineral mining industry // Eurasian mining — 2021. 2021, no. 1, pp. 70—74. DOI 10.17580/ em.2021.01.14.
13. Yoon John. Motors, drives, and HVAC efficiency // Consulting — Specifying Engineer. 2016, no. 1, pp. 50—63.
14. Шевырёв Ю. В., Шевырева Н. Ю. Улучшение формы напряжения в системах электроснабжения предприятий минерально-сырьевого комплекса с активным выпрямителем // Горный журнал. — 2019. — №1. — С. 66 — 69. DOI: 10.17580/gzh.2019.01.14.
15. Pollefliet J. Power Electronics: Drive Technology and Motion Control. — London: Academic Press, 2017. — 412 p.
16. Sinamics — Low Voltage Engineering Manual. Siemens. Edition July 2017, vol.6.5, 556 p., available at:
https://cache.industry.siemens.com/dl/fiLes/185/83180185/att_938805/v1/SШAMICS_ Engineering_manuaL_V6.5_JuLy_2017_externaL-e.pdf.
17. Шевырев Ю. В. Улучшение качества электроэнергии при работе полупроводникового преобразователя частоты // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 2. — С. 171 — 178. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-2-0-171-178.
18. Nho N. V., Khoa Dang Pham. PWM Strategy to Alleviate Common-Mode Voltage with Minimized Output Harmonic Distortion for Five-Level Cascaded H-Bridge Converters // Energies. 2021, vol. 14, pp. 1—26. D0I:10.3390/en14154476.
19. Dixon J. W. Effective Transient-Free Capacitor Switching (TFCS) for Large Motor Starting on MV Systems // IEEE Transactions on Industry Applications. 2018, vol. 8, pp.113—124. D0I:10.1109/PCIC0N.2017.8188730.
20. Pekdemir A., Yildiz A. B. Analysis and modelling of FC-TCR based on static VAR compensator // ICEEE. International Conference on Electrical and Electronic Engineering. 2018, vol. 5, pp. 115 — 118. D0I:10.1109/ICEEE2.2018.8391312. EES
REFERENCES
1. Ivanov G. M. Automated electric drive in industry. Ulyanovsk, ULGTU, 2013, 442 p. [In Russ].
2. Abramov B. I., Kogan A. I. et aL. Frequency-reguLated electric drive of drilling rigs BU 4200/250. Elektrotekhnika, 2009, no 1, pp. 8-13. [In Russ].
3. Datskovsky L. Kh., Abramov B. I., Shevyreva N. Yu., Shevyrev Y. V. Electric drive of stationary installations in the mining industry. Proceedings of the X International Conference on Automated Electric Drive AEP. 2018, Novocherkassk, October 3-6. 2018, pp. 169-174. [In Russ].
4. Katolikov V. E., Dinkel A. D. Dynamic modes of mine rise, Moscow, Nedra, 1995, 448 p. [In Russ].
5. Ziad M. Ali, Faisal Q. Alenezi, Sameh S. Kandil, Shady H. E. Abdel Aleem. Practical considerations for reactive power sharing approaches among multiple-arm passive filters in non-sinusoidal power systems. International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2018, vol. 103, pp. 660-675.
6. Boudebbouz O., Boukadoum A., Medoued A. Effective electric power quantities and the sequence reference frame: A comparison study. Electric Power Systems Research. 2016, vol. 140, pp. 485-492.
7. Do T. L. Research, assessment and proposals on resolving power quality problem for the power supply system of Lam Dong alumina refinery, Vietnam. Gornye nauki i tekhnologii (Mining Science and Technology). 2021, no 6(2), pp 121-127. DOI: 10.17073/250006322021-2-121-127. [In Russ].
8. Datskovsky L. Kh., Rogovoy V. I. Electric drives with synchronous motors, Encyclopedia. Volume IV-2. Electric drive, hydraulic and vibration drives. Book 1. Elektropivod, Moscow, Mashinostroenie, 2012, p. 319-367. [In Russ].
9. Zhemerov G. G. Thyristor frequency converters with direct connection (Cycloconverter), Moscow, Energiya, 1977, 280 p. [In Russ].
10. Sleganovsky O. V., Datskovsky L. H., Kuznetsov I. S., etc. Systems of sequence control of AC electric drives with valve converters, Moscow, Energoatomizdat, 1983, 256 p. [In Russ].
11. Vinogradov A. B. Vector control of AC drives, Ivanovo, IGEU, 2008, 298 p. [In Russ].
12. Shevyreva N. Yu. Effects of active rectifiers on power quality in supply systems in mineral mining industry. Eurasian mining. 2021, no. 1, pp. 70-74. DOI 10.17580/ em.2021.01.14.
13. Yoon John. Motors, drives, and HVAC efficiency. Consulting Specifying Engineer, 2016, no. 1, pp. 50-63.
14. Shevyrev Yu. V., Shevyreva N. Yu. Improvement of voltage waveform in power supply systems with dynamic rectifier in mineral mining and processing industry. Gornyi Zhurnal. 2019, no. 1, pp. 66-69. DOI: 10.17580/gzh.2019.01.14 [In Russ].
15. PoLLefliet J. Power Electronics: Drive Technology and Motion Control. London, Academic Press, 2017, 412 p.
16. Sinamics Low Voltage Engineering Manual. Siemens. Edition July 2017, vol. 6.5, 556 p., available at: https://cache.industry.siemens.com/dl/files/185/83180185/att_938805/ v1/SlNAMICS_Engineering_manuaL_V6.5_JuLy_2017_externaL-e.pdf.
17. Shevyrev Yu. V. Power quality improvement in operation of semiconductor frequency converter. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(2):171-178. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-20202-0-171-178.
18. Nho N. V., Pham Khoa Dang. PWM Strategy to Alleviate Common-Mode Voltage with Minimized Output Harmonic Distortion for Five-Level Cascaded H-Bridge Converters. Energies. 2021, vol. 14, pp. 1-26. DOI:10.3390/en14154476.
19. Dixon J. W. Effective Transient-Free Capacitor Switching (TFCS) for Large Motor Starting on MV Systems. IEEE Transactions on Industry Applications. 2018, vol. 8, pp.113124. DOI:10.1109/PCICON.2017.8188730.
20. Pekdemir A., YiLdiz A. B. Analysis and modelling of FC-TCR based on static VAR compensator. ICEEE. International Conference on Electrical and Electronic Engineering. 2018, vol. 5, pp. 115-118. DOI: 10.1109/ICEEE2.2018.8391312.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Абрамов Борис Иванович1 — генеральный директор, [email protected]; Иванов Андрей Гелиевич1 — канд. техн. наук, заместитель генерального директора по развитию бизнеса, [email protected];
Шиленков Виктор Александрович1 — заместитель технического директора, [email protected];
Кузьмин Иван Константинович1 — канд. техн. наук, заместитель директора Департамента продаж и развития бизнеса в горной промышленности, [email protected]; Шевырёв Юрий Вадимович2 — докт. техн. наук, профессор кафедры «Энергетика и энергоэффективность горной промышленности», https://orcid.org/0000-0003-2452-9796, [email protected];
1 ООО «Электротехническая промышленная компания» (ООО «Электропром»). 129626 г. Москва, проспект Мира, д. 106, Россия;
2 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 4, Россия;
Для контактов: Шевырёв Ю. В., e-maiL: [email protected]
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Abramov B. I.1, GeneraL Director, [email protected];
Ivanov A. G.1, Cand. Sci. (Eng.), Deputy GeneraL Director for Business DeveLopment, [email protected];
Shilenkov V. A.1, Deputy TechnicaL Director, [email protected];
Kuzmin I. K.1, Cand. Sci. (Eng.), Deputy Director of the Department of SaLes and Business
DeveLopment in the Mining Industry, [email protected];
Shevyrev Yu. V.2, Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department "Energy and energy efficiency of the mining industry", https://orcid.org/0000-0003-2452-9796, [email protected];
1 ELectrotechnicaL IndustriaL Company LLC (ELectroprom LLC), 129626 Moscow, Prospect Mira, 106, Russia;
2 NationaL University of Science and TechnoLogy MISiS, Leninskiy prospekt, 4, Moscow, 119049, Russia.
For contacts: Shevyrev Yu. V., e-maiL: [email protected]
Получена редакцией 01.10.2021; получена после рецензии 16.03.2022; принята к печати 10.04.2022. Received by the editors 01.10.2021; received after the review 16.03.2022; accepted for printing 10.04.2022.
_Д
