CC BY
51
УДК 621.314
УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ШАХТНЫХ УСТАНОВОК С ВОЗМОЖНОСТЬЮ РЕКУПЕРАЦИИ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Э.Е. Пугачёва, В.М. Степанов, А.С. Иванов, П.Р. Нусратов, А.А. Букарев
Шахтные подъёмные установки (ШПУ) являются одними из основных потребителей электроэнергии на шахте. Даже небольшое снижение их энергопотребления дает значительную экономию энергоресурсов.Электропривод на основе двухзвенного преобразователя частоты с активным выпрямителем напряжения является универсальным энергосберегающим устройством. Его использование в ШПУ позволяет при спуске концевой нагрузки рекуперировать энергию торможения в питающую сеть. Использование разработанной системы электропривода в режиме рекуперативного торможения позволяет на порядок повысить энергоэффективность электропривода ШПУ.
Ключевые слова: шахтная подъемная установка, матричныйпреобразователь частоты, двухзвенный преобразователь частоты с активным выпрямителем напряжения, звено рекуперации энергии,режим рекуперативного торможе-ния,математическая модель звена рекуперации электроэнергии.
Одним из важнейших направлений технической политикивсех развитых стран мира является энергосбережение. Это наиболее дешевый и безопасный способ увеличения генерирующих мощностей,поскольку затраты на экономию 1 кВт мощности в 4 - 5 раз меньше, чем стоимость 1 кВт вновь вводимоймощности[1].
Одним из основных потребителей электроэнергии на горных предприятиях являются шахтные подъёмные установки (ШПУ). Даже минимальное снижение энергопотребления этими установками дает предприятию существенную экономию энергоресурсов. Например, для ШПУ с приводом мощностью 2000 кВт снижение электропотребления на 1 % позволяет сэкономить за год порядка 80...120 тыс. кВт-час[2].
Энергосбережение в электроприводе ШПУосновывается на определении способов экономии электроэнергии при движении ветвей подъёмных сосудов (клетей и скипов).Возможнынесколько способов экономии электроэнергии в ШПУ:экономияэлектроэнергии при спуске тяжелых грузов на большую глубину;экономияэлектроэнергии в режиме замедления скорости электропривода ШПУ.
Нехватка генерирующих мощностей обусловила во всем мире переход от старых систем управления кновым, более совершенным и экономичным. Поскольку основными потребителями электроэнергии в промышленности являются электроприводы, то разработкасовершенных и экономичныхсистем управления электроприводами подъемно - транс-
портных механизмов является актуальной научной задачей. Ведущие производители промышленного оборудования широко применяют такие системы в своей практике [3].
Появление силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором привело к появлению на рынке электроприводов переменного тока модернизированныхпреобразователей частоты - матричных и двухзвенных с рекуперативным выпрямителем.Эти преобразователи частоты стали использоваться в электроприводах подъемно-транспортных механизмов и в установках, работающих длительное время в режиме рекуперативного торможения.
Матричный преобразователь частоты (МПЧ)- это универсальный преобразователь электрической энергии, позволяющий обеспечить любые преобразования между двумя системами [4]. Нарядус очевидными преимуществами МПЧ имеет ряд недостатков:
- необходимость установки 12 быстрых высоковольтных диодов, которые можно заменить на 6 двунаправленных ключей [5, 6] или использовать 6 диодов;
- ограниченный на уровне 87 % коэффициент передачи синусоидального напряжения;
- сложность аппаратной реализации и алгоритма управления;
- чувствительность к искажениям и перекосу фаз входного напряжения;
- необходимость в отсутствии прерывания тока в индуктивных цепях.
Все перечисленные недостатки привели к ограниченному производству и внедрению подобных преобразователей.
В электроприводах на основе двухзвенных преобразователей частоты (ДПЧ) с активным выпрямителем напряжения (АВН) из-за использования режима широтно-импульсноймодуляции импульсное напряжение на стороне переменного тока имеет благоприятный спектральный состав. Это создает хорошие условия для фильтрации высших гармоник то-ка,потребляемого из питающей сети.
Электропривод на основе ДПЧ является универсальным энергосберегающим устройством. Использование подобного преобразователя в подъемно-транспортных механизмах (например, в ШПУ)дает возможность рекуперации энергии торможения в питающую сетьприспускеконцевой нагрузки.
Исследованиями установлено, что существующий электропривод имеет хорошие динамические и энергетические характеристики. Однако в режиме рекуперативного торможения из-за мостовой структуры АВН-диапазон рекуперации энергии зависит от разности напряжений звена постоянного тока и линейного напряжения питающей сети.
Для устранения недостатков данного электропривода разработано новое схемное решение с более простым алгоритмом управления, использующее в своей основе новую структуру - так называемое« звено рекупера-
ции электроэнергии» (ЗРЭ) [7]. Электрическая схема усовершенствованного варианта асинхронного электропривода на основе двухзвенного преобразователя частоты созвеном рекуперации электроэнергии приведена на рис.1.
Рис.1. Усовершенствованный электропривод переменного тока на основе ДПЧ со звеном рекуперации электроэнергии
На рис.1 приняты следующие обозначения: ЗРЭ - звено рекуперации электроэнергии; АИН - автономный инвертор напряжения; АД -асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; ФИ - формирователь импульсов управления; ДТ - датчик тока; ДН - датчик напряжения; СУЗРЭ - система управления звеном рекуперации электроэнергии; иа, иь, ис- фазные напряжения, подводимые с вторичных обмоток согласующего трансформатора к СУЗРЭ.
Система автоматического управления (САУ)звеном рекуперации электроэнергии является двухконтурной:
- внешний контур регулирования напряжения звена постоянного
тока;
- внутренний контур регулирования сетевого тока преобразователя частоты.
Особенностью данной системы управления электроприводом является регулирование фазы входного тока в двигательном режиме и в режиме рекуперативного торможения.Реализацияданной системы управления-позволяет получить желаемое значение коэффициента мощности в системе электропривода ШПУ. Следовательно, асинхронный электропривод на основе двухзвенного преобразователя частоты со звеном рекуперации электроэнергии можно рассматривать как энергосберегающее устройство.
Рекуперация электроэнергии в питающую сеть в режиме генераторного торможения происходит за счет внешнего момента (потенциальной энергии спуска концевой нагрузки в ШПУ), который направлен в сторону вращения ротора асинхронного двигателя.
Математическая модельзвена рекуперации электрической энергии может быть описана системой уравнений [8]
—(5Й1+5с1)
Г. (¿¿а _ _
^а ^ ~ ~ ^-йс
I _ „ ,, 25Ь1-(5а1+5с1) „ . ЬЬ ~ еЬ ~ ийс-3--КЬ1Ь>
1 &с _ _ 25с1-(5а1+5|,1) _ р / .
с ^ ~ ийс 3
= + ^Ы^Ь + Бс11с + /(¿с»
(1)
где£а,£й,£с - индуктивность входного фильтра ДПЧ (Гн); 1а, /й,/с - линейные токи трехфазной системы (А); еа,еъ,ес - линейные напряжения трехфазной системы (В)" — активные сопротивления входного
фильтра ДПЧ (Ом); ийс - напряжение звена постоянного тока (В); 5а1,5Ь1,5с1 - ключевые состояния ЮВТ-транзисторов звена рекуперации электроэнергии (1 - включен, 0 - отключен); С - емкость конденсатора звена постоянного тока (мкФ); 1йс - ток нагрузки, поступающий в звено постоянного тока (Ьоас1сиггеШ) (А).Знак «—» ъ1йс соответствует режиму выпрямления (двигательный режим), а знак «+ » соответствует режиму инвертирования (рекуперативное торможение).
Для построения структурной схемы математической модели ЗРЭ введены следующие обозначения:/^,/сйДс —коэффициенты, учитывающие состояние переключения ЮВТ- транзисторов; ща,щъ,и5с —соответственно напряжения трех фаз ЗРЭ (В), которые описываются системой уравнений
Ща = каи(1с'>
Щь = кьи(1с'> Щс = ксийс>
< ка = кь =
кс —
3
2БЬ1- "(^ои+^сп.)
3
25с1- -(5а1+5Ь1)
(2)
Структурная схема математической модели звена рекуперации электроэнергии, соответствующая выражениям (1) и (2), представлена на рис. 2.
На рис. 3 представлены осциллограммы тока на стороне питающей сети в режиме рекуперации, снятые на протяжении цикла работы электропривода ШПУ. Эти осциллограммы получены путем экспериментального моделирования в пакете МаНаЬ^тиНпк.
415
Рис.2. Структурная схема математической модели ЗРЭ
0.4 Об 0.8 1 Время, с
Рис.3. Осциллограмма токов 1а, 1Ъ, ¿с на стороне питающей сети в режиме рекуперативного торможенияпри рекуперации на протяжении цикла работы ШПУ
Разработанная система электропривода с усовершенствованной структурой звена рекуперации электроэнергии и оптимизированной системой управленияпродемонстрировалахорошие динамические показатели электропривода в режиме рекуперативного торможения, что говорит о её высокой эффективности.
Таким образом, энергосбережение в электроприводе переменного тока достигается путем использования высокотехнических коммутирующих преобразователей частоты, способных в режиме генераторного торможения (спуск грузов в ШПУ) возвращать энергию торможенияв питаю-
416
щую сеть. Наряду с двусторонним обменом энергией между питающей сетью и нагрузкойданные преобразователи частотыдолжны обладать простотой конструкции, легкостью в управлении и обеспечивать минимальные спектры высших гармоник сетевого тока и выходного линейного напряжения.
Использование разработанной системы электропривода в режиме рекуперативного торможения позволит на порядок повысить энергоэффективность электропривода шахтной подъёмной установки.
Список литературы
1. Дроздова, Л. Г. Снижение энергопотребления шахтными подъемными установками. Горный информационно - аналитический бюллетень (научно-технический журнал).2007. №4. С. 359 -361.
2. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И.Я. Браслав-ский и [др.]. М.: Академия, 2004. 256 с.
3. SINAMICS - Low Voltage Engineering Manual. Ver. 6.4. P. 528. November 2015 [электронный ресурс]. Режимдоступа: http: //w3 app. siemens. com/mcms/infocenter/dokumentencenter/ld/InfocenterLan guagePacks/sinamics- pro jekti erun gsh an db uch - lv/sinamics-engineering-manual-lv-en.pdf. (датаобращения: 14.09.2017).
4. MOS control device concepts for ac-ac matrix converterapplications: The HCD concept for high-efficiency anode-gated devices / N. Luther-King, M. Sweet, O. Spulber, K. Vershinin, M. De Souza, and E. Narayanan // IEEE Trans. ElectronDevices.2005. Vol. 52.No. 9.P. 2075-2080.
5. Нусратов П.Р.,ПугачёвЕ.В., Иванов В.С. Матричный преобразователь частоты с улучшенной коммутацией // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника: труды Шестой Всероссийской научно-практической конференции / под общ.ред. В.Ю. Островлянчика. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2014. С. 289-294.
6. Защита матричного преобразователя частоты в аварийных режимах / Е.В. Пугачёв, А.С. Иванов, П.Р. Нусратов, В.С. Иванов // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2015. №2 (12). С. 49-52.
7. МПК НО2Р3/18. Рекуперирующий электропривод переменного тока с двухзвенным преобразователем частоты: пат.на изобретение РФ. № 2014150748.Заявл. 15.12.2014.
8. Энергосберегающий асинхронный электропривод / Е.В. Пугачёв, А.С. Иванов, П.Р. Нусратов, В.С. Иванов, В.А. Корнеев // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2015. №5 (111). С. 111-116.
Пугачёва Элла Емельяновна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Степанов Владимир Михайлович, д-ртехн. наук, профессор, зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Иванов Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, sibsiuprk@,gmail.com, Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
НусратовПайравРухонидинович, канд. техн. наук, ассистент,pairavbek@,ya.ru, Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Букарев Андрей Александрович, аспирант, [email protected], Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет
IMPRO VEDELEC TRICDRIVEOFMINEINSTALLA TIONSWITHTHEPOSSIBILITY
OFREC O VERYELEC TRICITY
E.E.Pugacheva, M.V. Stepanov, A.S. Ivanov, P.R Nusratov, A.A. Bukarev
Mine lifting installations are one of the basic consumers of the electric power on mine. Even a small reduction in their energy consumption results in significant energy savings. The electric drive based on a two-link frequency converter with an active rectifier is a universal energy-saving device. Its use in the silo allows the recovery of the end load to recover the braking energy into the feeder network. Disadvantages of the existing electric drive based on the a two-link frequency converter with the active rectifier can be eliminated with the help of a developed new circuit design with a simpler control algorithm that uses a new structure, the power recovery unit. Using the developed system of the electric drive in the regenerative braking mode allows to increase the energy efficiency of the electric drive of the silo by an order of magnitude.
Key words: mine hoisting installation, matrix frequency converter, two-link frequency converter with active rectifier, energy recovery unit, regenerative braking mode, mathematical model of power recovery unit.
Pugacheva Ella Emelyanovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,
Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Ivanov Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, sibsiuprk@,gmail.com, Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,
Nusratov Payrav Ruhonidinovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,
Bukarev Andrey Alexandrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University
