К вопросу о применении частотно регулируемого привода шахтных подъемных установок

Решетняк С.Н.

УДК 621.316.726 С.Н. Решетняк

К ВОПРОСУ О ПРИМЕНЕНИИ ЧАСТОТНО -РЕГУЛИРУЕМОГО ПРИВОДА ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК

Семинар № 17

азвитие горнодобывающей промыш-

-шГ ленности в России предусматривает использование шахтных подъемных установок, в которых более жесткие требования стали предъявляться к таким понятиям как надежность, быстродействие, эффективность, повышение точности движения, удобство эксплуатации.

Ведущие позиции по вышеперечисленным требованиям занимает система преобразователь частоты - двигатель. В связи с этим, следует рассмотреть особенности применения частотно - регулируемого привода в качестве электропривода шахтных подъемных установок.

В настоящее время в качестве электроприводов шахтных подъемных установок, в большинстве случаев, используется асинхронные электродвигатели с фазным ротором. Существенный недостаток при использовании вышеуказанных электродвигателей является наличие дополнительных потерь электроэнергии на сопротивлениях в роторной цепи. Одним из способов решения этой проблемы является использование в качестве приводных двигателей шахтных подъемных установок асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, включённых по схеме преобразователь частоты - двигатель.

Лидирующие места в мире по производству промышленных преобразователей частоты для асинхронных электроприводов занимают фирмы Emotron, Siemens (Германия), ABB Industry Oy и Vaasa Control Oy (Финляндия).

В современной практике используются преобразователи трех типов: с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения (тока) (ПЧ-АИ); непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) и преобразователь частоты с широтно-

импульсной модуляцией (ПЧ-ШИМ) выпрямленного напряжения. В преобразователе (ПЧ-АИ) имеется возможность для регулирования

частоты выходного напряжения (тока) независимо от величины ее в сети питания. В преобразователе (НПЧ) диапазон регулирования частоты ограничен 3-20 Гц при частоте сети 50 Гц. В преобразователе частоты с ШИМ также регулируемая частота напряжения (тока) не ограничивается как и в ПЧ-АИ, но гармонический состав токов, потребляемых из сети, существенно лучше [1].

Однако компания АВВ в 1995 г. начала использовать так называемое прямое регулирование момента (Direct Torque Control - DTC), пришедшее на замену традиционной ШИМ.

Технология DTC является «революционным» методом управления для электроприводов переменного тока, позволяющая вести точный контроль скорости и момента двигателя без использования тахометра, начиная с нулевой скорости. В технологии DTC основными регулируемыми параметрами являются магнитный поток статора и момент. Параметры состояния двигателя обновляются 40 тысяч раз в секунду в самой совершенной программной адаптивной модели двигателя высокоскоростным процессором обработки цифровых сигналов. Постоянная коррекция текущего состояния двигателя и сравнение действительных параметров процесса с опорными значениями происходят так, что каждая коммутация в инверторе определяется отдельно [1].

При построении преобразователей частоты для асинхронных электроприводов используются современные, полностью управляемые, полупроводниковые приборы (биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT (insulted gate bipolar transistor), или тиристоры с симметричным управляющим электродом SGCT (integrated gate-commutated thyristor)). Тиристор - это самый старый коммутирующий прибор, используемый в настоящее время, однако он все же пользуется коммерческим успехом, причиной тому, потери на электропровод-

ность в нем значительно ниже, чем в SGCT тиристорах и IGBT транзисторах. В отличие от классического тиристора, SGCT тиристор можно включить или выключить в любой момент времени, что делает его электронным выключателем с большим быстродействием. Однако SGCT тиристор при включении вызывает резкие броски тока, способные повредить вспомогательные элементы, в особенности диоды. В силу этого, последовательно с такими тиристором необходимо включать защитную цепь (в сущности, RC - цепи). Чтобы исключить необходимость применения такой демпфирующей цепи, необходимо очень точно синхронизировать момент запирания (в наносе-кундном масштабе), что на сегодняшний день осуществить практически невозможно [2].

Биполярный транзистор с изолированным затвором, как и все транзисторы представляет собой линейный элемент, и поэтому является управляемым в любой момент времени. Благодаря этому скорость переходов между открытым и закрытым состоянием может быть резко снижена, что делает IGBT транзистор очень удобным в использовании.

Перечислим некоторые преимущества IGBT - транзистора:

• не требуется применение защитных цепей, необходимых для IGCT - тиристора;

• транзисторы IGBT без особых сложностей включаются параллельно;

• последовательное включение возможно без ограничения, однако для оптимальной работы рекомендуется включение небольших RC - фильтров параллельно с каждым прибором.

Единственный недостаток в данном полупроводниковом приборе - это то, что плотность подвижных носителей заряда в открытом состоянии несколько ниже, чем в тиристоре IGCT, следовательно, потери на проводимость несколько выше [2].

Наибольшем успехом в создании современных силовых полупроводниковых приборов достигли такие корпорации Toshiba, Mitsubishi, Hitachi, Fuji (Япония), Marconi (Англия), AEG (Германия), ABB (Финляндия), Thomson (Франция), Westinghouse, Motorola (США), АО «Электровыпрямитель» (Россия), НПО «Преобразователь» (Украина).

Необходимой составной частью высоковольтных преобразователей частоты является выходной фильтр, который позволяет получать сглаженную форму напряжений и токов статора.

Этим устраняется опасность старения изоляции обмоток двигателя, вызванная наличием крутых фронтов выходных напряжений (токов) инвертора. Следовательно, представляется возможность использования стандартных асинхронных двигателей. Отсутствие выходного фильтра приводит к изменению стандартной изоляции обмоток двигателя, что сказывается на его стоимости. Преобразователи частоты обеспечивают плавное регулирование скорости и реверсирования двигателя с возможностью рекуперативного торможения в случае применения активных выпрямителей напряжения (тока) или реверсивных тиристорных выпрямителей для питания автономных инверторов.

В качестве примера представляется, типовой статический преобразователь частоты с промежуточным контуром постоянного напряжения Бітоуеіі Ма8ІегБгіУЄ8 УС фирмы Беітеш. Данные преобразователи выпускаются на ряд мощностей от 0,55 до 2300 кВт [3].

Особенностью преобразователей Бітоуеіі является необходимость установки трехобмоточного трансформатора для согласования напряжения сети и вентильной схемы выпрямителя. В качестве источников питания автономных инверторов используются неуправляемые выпрямители (диоды). Для гашения энергии, отдаваемой приводом в тормозных режимах, в схеме предусмотрен модуль рассеяния энергии. Существенным недостатком данного варианта является наличие индивидуального трехобмоточного трансформатора для каждого преобразователя частоты, а также отсутствии рекуперации при тормозных режимах работы.

Также следует отметить, что существует другой вариант исполнения преобразователя БітоуеЛ, где все преобразователи частоты получают питание от одного трехобмоточного трансформатора. В данной схеме диоды в выпрямителе, уступили место активному выпрямителю напряжения, выполненному на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (ЮВТ-транзис-торы). Основной функцией данного выпрямителя является стабилизация напряжения в цепи постоянного тока. При таком варианте исполнения преобразователя возможна рекуперация электрической энергии в сеть. А также возможно изменение коэффициента мощности в сторону его увеличения выше нормативного.

Основные преимущества схемы преобразователь - двигатель:

• применение инвертора тока (напряжения) на полупроводниковых приборах обеспечивает высокую надежность силовой части привода;

• малое сечение кабелей, соединяющих двигатель с преобразователем частоты;

• малые потери мощности в соединительных проводах;

• возможность рекуперации энергии в сеть в тормозных режимах работы привода;

• применение однотипного оборудования, что обеспечивает высокую степень унификации;

• возможность работы преобразователя в двигательном и генераторном режимах;

• возможность работы с токоограничивающим реактором.

Наиболее существенными недостатками преобразователей частоты являются:

• обязательная установка конденсаторного фильтра на выходе преобразователя, реак-

1. Ковчин С.А. Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт -Петербургское отд-ние, 2000. - 496 с.

тивная мощность которого составляет примерно 60 ^ 80 % от полной мощности двигателя;

• сравнительно низкая несущая частота широтно-импульсной модуляции, что обусловлено свойствами используемых силовых полупроводниковых приборов;

• напряжение на общих шинах переменного напряжения превышает соответствующий номинальный уровень как минимум в три раза;

• высокая стоимость.

Анализ основных технических характеристик системы преобразователь частоты - двигатель показывает принципиальную возможность применения в качестве электропривода подъемных установок для тяжёлых условий эксплуатации.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Штефан Линдер Силовые полупроводниковые приборы. АББ ревю 4/2003. с.27-31

3. Преобразователи частоты Зетоуег!// Технический каталог Зетеш - 1997.

Коротко об авторах ----------------------------------------------

Решетняк Сергей Николаевич - Московский государственный горный университет.

------------------------------------------------------ ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МАКЕЕВСКИЙ НА УЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ДИДЕНКО Совершенствование мер безопасности управле- 05.26.01 к.т.н.

Виктор ния забойными машинами в условиях воздейст-

Васильевич вия электромагнитного поля силовых цепей

-------Ф

'Я'-

^-------

УДК 622.271.4;62-83

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Решетняк С. Н.

Текст научной работы на тему «К вопросу о применении частотно регулируемого привода шахтных подъемных установок»