Вентилятор главного проветривания ВЦД-47,5 приводится во вращение приводным высоковольтным асинхронным электродвигателем с фазным ротором (АДФР) типа АКС-3150-6-500 (мощность на валу 3150 кВт, номинальные обороты вала 495 об/мин, КПД=95,2%, cosφ=0,88, статор: 6 кВ, 362А, ротор 1360В, 1405А).
На рисунке 1 показаны зависимости энергетических показателей электродвигателя АКС-3150-6-500 при регулировании скорости вентилятора ВЦД-47,5 за счет изменения омического сопротивления в цепи ротора электродвигателя.
Рисунок 1. Зависимости составляющих мощности при регулировании скорости за счет изменения омического сопротивления в цепи ротора АКС-3150-6-500
Регулирование скорости вентилятора за счет изменения омического сопротивления в цепи ротора электродвигателя АКС-3150-6-500 приводит к значительным потерям активной мощности, которая выделяется в резисторах роторной цепи (порядка 500 кВт).
Требуется выполнить модернизацию электропривода вентилятора ВЦД-47,5 с обеспечением плавного пуска и регулирования скорости в диапазоне 125 – 500 об/мин с минимизацией потерь мощности в элементах электропривода.
ЗАО «ЭРАСИБ» предлагает к поставке комплект оборудования для плавного пуска и регулирования скорости вентилятора главного проветривания ВЦД-47,5 с приводным электродвигателем с фазным ротором АКС-3150-6-500УХЛ4 (3150 кВт, 450 об/мин, напряжение ротора 1360В, ток ротора 1405А) по двум вариантам:
1) на базе тиристорного роторного преобразователя «ЭРАТОН-ФР-1360-1405-АТК-IP21»;
2) на базе высоковольтного статорного транзисторного преобразователя частоты «ЭРАТОН-В-380-6-О-10- IP21-УХЛ4»
1. Тиристорный роторный преобразователь «ЭРАТОН-ФР-1360-1405-АТК-IP21»
Тиристорные преобразователи серии «ЭРАТОН-ФР-АТК» предназначены для плавного пуска и регулирования скорости механизмов, приводимых в движение высоковольтными асинхронными электродвигателями с фазным ротором (АДФР). Регулирование момента и скорости электродвигателя с фазным ротором осуществляется за счет регулирования тока ротора с помощью двух управляемых выпрямителей, включенных последовательно между ротором и статором электродвигателя. Данный тип электропривода известен специалистам под названием «Асинхронный тиристорный каскад» (АТК).
Преобразователи частоты «ЭРАТОН-ФР-АТК» изготавливаются по техническим условиям ТУ 3416-009-04747397-2008 Имеется разрешение № РРС 00-38883 федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на применение преобразователей частоты «ЭРАТОН-ФР-АТК» на опасных производственных объектах.
Тиристорный преобразователь типа «ЭРАТОН-ФР-АТК» устанавливаются между цепью ротора асинхронного электродвигателя и питающей сетью, как показано на рисунке 2. Силовая схема преобразователя содержит два трехфазных тиристорных моста: роторный и сетевой. Цепи постоянного тока тиристорных мостов соединены между собой через реактор Р. Вход переменного тока роторного моста соединен с трехфазной цепью ротора электродвигателя. Вход переменного тока сетевого моста соединен с питающей сетью через согласующий трансформатор. Структура силовых цепей с двумя управляемыми тиристорными мостами обеспечивает двусторонний обмен энергией между цепью ротора и сетью и позволяет работать электродвигателю в двигательном и тормозном (генераторном) режимах.
Рисунок 2. Структурная схема электропривода ВЦД-47,5 с роторным тиристорным преобразователем типа «ЭРАТОН-ФР-АТК»
Управление тиристорными мостами преобразователя осуществляется цифровой микропроцессорной системой, которая обеспечивает высокую точность управления моментом и скоростью электродвигателя. Система управления преобразователем связана с системой управления верхнего уровня по аналоговым и дискретным каналам, а также по цифровому каналу с протоколом обмена Modbus RTU.
Преобразователь «ЭРАТОН-ФР-АТК» позволяет регулировать скорость электродвигателя с фазным ротором от нуля до скорости, близкой к номинальной, а также переходить в режим работы с закороченным ротором и обратно. Момент и скорость вала электродвигателя регулируются за счет изменения тока ротора с помощью регулирования углов управления тиристорами сетевого и роторного мостов. При регулировании скорости в двигательном режиме активная мощность ротора через преобразователь возвращается в сеть. При этом роторный мост работает в выпрямительном режиме, а сетевой мост – в инверторном режиме. В режиме торможения двигателя за счет регулирования фазы импульсов управления тиристорами двух мостов направление потока активной мощности изменяется на противоположное и активная мощность передается из питающей сети в цепь ротора, что вызывает рекуперативное торможение электродвигателя. При этом сетевой мост работает в выпрямительном режиме, а роторный мост – в инверторном режиме.
В преобразователях частоты «ЭРАТОН-ФР-АТК» реализован алгоритм управления моментом и скоростью без датчика частоты вращения двигателя, который обеспечивает регулирование скорости вращения с постоянным моментом нагрузки, либо с изменяющимся моментом вентиляторного типа. Диапазон регулирования вниз от номинальной скорости без подключения датчика 1:50. Цифровая система управления также обеспечивает регулирование с датчиком скорости электродвигателя (энкодером).
Для изменения направления вращения вала электродвигателя с фазным ротором необходимо выполнить реверс фаз питания статора электродвигателя. В преобразователях частоты «ЭРАТОН-ФР-АТК» реализованы функции управления реверсивным подключением статора к высоковольтной сети и управления механическим тормозом.
На рисунке 3 показаны зависимости составляющих мощности при регулировании скорости вентилятора ВЦД-47,5 с помощью тиристорного роторного преобразователя «ЭРАТОН-ФР-1360-1405-АТК».
При регулировании момента и скорости активная мощность скольжения ротора асинхронного электродвигателя циркулирует в контуре: ротор АДФР - преобразователь частоты «ЭРАТОН-ФР-АТК» - статор АДФР и не потребляется из питающей сети. За счет этого из питающей сети потребляется активная мощность, отдаваемая на вал электродвигателя, и мощность потерь в двигателе и преобразователе. Это обеспечивает значительную экономию потребляемой активной мощности при пуске и регулировании скорости асинхронных электродвигателей с фазным ротором по сравнению с пусковыми роторными резисторными станциями.
Рисунок 3. Зависимости составляющих мощности при регулировании скорости ВЦД-47,5 роторным тиристорным преобразователем «ЭРАТОН-ФР-1360-1405-АТК»
Электропривод с тиристорным преобразователем «ЭРАТОН-ФР-АТК» обеспечивает экономию электроэнергии как за счет возврата мощности скольжения ротора в питающую сеть, так и за счет рекуперативного торможения электропривода.
Электропривод типа АТК при регулировании скорости потребляет из сети значительную реактивную мощность и генерирует искажения тока и напряжения сети, что является недостатком. При увеличении скорости вала напряжение ротора и напряжение роторного моста снижаются, что приводит к необходимости регулирования фазы импульсов управления тиристорами сетевого моста. Это сопровождается сдвигом фазы тока на входе сетевого моста относительно напряжения сети и ростом реактивной мощности, которая потребляется сетевым тиристорным мостом из питающей сети 6 кВ 50 Гц. При достижении максимальной скорости вала электродвигателя сдвиг фазы тока относительно напряжения на входе сетевого моста приближается к 90 эл. градусам, что соответствует потреблению сетевым мостом из сети практически только реактивной мощности. Кроме реактивной мощности электропривод типа АТК потребляет из сети несинусоидальный ток, что приводит к искажению напряжения сети. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе кабельного хозяйства и мощности питающей подстанции, а также использовать дорогостоящие фильтро-компенсирующие устройства.
Основные недостатки электропривода с тиристорным преобразователем «ЭРАТОН-ФР-АТК» связаны с потреблением значительной реактивной мощности и мощности искажения из питающей сети. Сопоставление графиков зависимости составляющих мощности (рисунок 1 и рисунок 3) показывает существенное снижение потребляемой из сети 6 кВ 50 Гц активной мощности, почти полуторакратное повышение потребления из сети полной и двукратное повышение потребления реактивной мощности.
В комплект поставки оборудования для электропривода вентилятора ВЦД-47,5 на базе тиристорного роторного преобразователя «ЭРАТОН-ФР-1367-1412-АТК-IP21» входит:
1. Трансформатор ТСЗП-1600-6/0,69 (1600 кВА) - 1 шт.
2. Преобразователь «ЭРАТОН-ФР-1367-1412-АТК-IP21» - 1 шт.
3. Сглаживающий реактор СРОСЗ-2000 - 1 шт.
Согласующий силовой трансформатор сухого типа ТСЗП-1600-6/0,69 размещается в шкафу с принудительной воздушной вентиляцией крышного типа, со степенью защиты IP21, с размерами 2600х1500х2600 мм и суммарной массой 2600 кг.
Преобразователь «ЭРАТОН-ФР-1367-1412-АТК-IP21» размещается в двух шкафах с принудительной воздушной вентиляцией крышного типа, со степенью защиты IP21, с размерами одного шкафа 1800х2100х700 мм и суммарной массой 700 кг.
Сглаживающий реактор СРОСЗ-2000 размещается в шкафу с принудительной воздушной вентиляцией крышного типа, со степенью защиты IP21, с размерами 2350х1000х920 мм и суммарной массой 1700 кг.
2. Высоковольтный статорный транзисторный преобразователь частоты «ЭРАТОН-В-380-6-О-10- IP21-УХЛ4»
При использовании высоковольтного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором на базе электродвигателя АКС-3150-6-500УХЛ4 ЗАО «ЭРАСИБ» предлагает к поставке вариант электропривода вентилятора ВЦД-47,5 с высоковольтным транзисторным многоуровневым преобразователем частоты типа «ЭРАТОН-В-380-6-О-10- IP21-УХЛ4» с инвертором на IGBT трапнзисторах, который устанавливается между питающей сетью 6 кВ 50 Гц и статором электродвигателя.
К поставке предлагается высоковольтный транзисторный преобразователь частоты «ЭРАТОН-В-380-6-О-10- IP21-УХЛ4», который производится по техническим условиям ИКПН3.211.257ТУ. Данная серия высоковольтных преобразователей была разработана ЗАО «ЭРАСИБ» с учетом всех современных тенденций в области преобразовательной полупроводниковой техники, регулируемого электропривода и большого накопленного опыта специалистов нашей компании в управлении электроприводами различных механизмов.
При производстве применяются современные электронные компоненты лидирующих авторитетных мировых производителей, силовые пленочные конденсаторы производства Electronicon (Германия), IGBT транзисторы производства Infineon (Германия) и тиристорно-диодные модули производства АО «Протон-Электротекс» (Россия). Платы управления, входящие в состав ПЧ, разработаны и изготавливаются нашей организацией, что позволяет контролировать все этапы производства и обеспечивать высокий уровень качества оборудования, производимого ЗАО «ЭРАСИБ». Алгоритмы управления преобразователями «ЭРАТОН-В» и программное обеспечение также разработано специалистами ЗАО «ЭРАСИБ».
На рисунке 4 показана структурная схема силовых цепей предлагаемого к поставке преобразователя частоты «ЭРАТОН-В-380-6-О-10-IP21-УХЛ4», а на рисунке 5 – структурная схема одной силовой ячейки преобразователя с электронным байпасом (ЭБ) неисправной силовой ячейки. В обозначении «ЭРАТОН-В-380-6-О-10-IP21-УХЛ4» зашифрована следующая информация:
ЭРАТОН – обозначение транзисторного преобразователя производства ЗАО «ЭРАСИБ»;
В – высоковольтный многоуровневый преобразователь частоты;
380 – номинальное действующее значение тока нагрузки в амперах (А);
6 – номинальное действующее значение линейного выходного напряжения (кВ);
50 – номинальная частота выходного напряжения (Гц);
О – торможение электродвигателя самовыбегом;
1 – предусмотрен байпас (закорвачивание) неисправных силовых ячеек преобразователя;
0 – не предусмотрен байпас (переключение) электродвигателя на питание от сети 6 кВ 50 Гц;
IP21 – степень защиты шкафов преобразователя частоты от внешних воздействий;
УХЛ4 - климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69 по ГОСТ 15543.1-89.
Рисунок 4. Структурная схема силовых цепей преобразователя частоты «ЭРАТОН-В-6»
Рисунок 5. Структурная схема силовой ячейки с электронным байпасом (ЭБ) неисправной силовой ячейки
Силовая часть ПЧ ЭРАТОН-В-6 (рисунок 4) содержит последовательно включенные силовые ячейки (блоки СБ1А…СБ6А и т.д.) в каждой выходной фазе. Каждая силовая ячейка (рисунок 5) содержит входной трехфазный мостовой выпрямитель (В), накопительный конденсатор С (НК), мостовой инвертор на IGBT транзисторах (Инвертор) и электронный байпас (ЭБ) неисправной силовой ячейки. Инвертор каждой силовой ячейки генерирует высокочастотное импульсное напряжение, модулированное по синусоидальному закону с относительно низкой частотой, которая определяет требуемую частоту выходного напряжения преобразователя. За счет сложения выходных модулированных по синусоидальному закону напряжений силовых блоков в каждой фазе преобразователя создается многоуровневая форма выходного напряжения, приближенная к синусоидальной. Использование такого принципа позволяет сократить пульсации тока и напряжения в статорных обмотках электродвигателя, что допускает эксплуатацию ПЧ без использования дополнительных выходных фильтров. Последовательное соединение шести силовых ячеек в каждой фазе преобразователя частоты позволяет получить напряжение на выходе не менее 6000 В при выходе из строя части силовых ячеек. Для сохранения работоспособности преобразователя вышедшая из строя силовая ячейка шунтируется электронным байпасом (ЭБ).
Питание ПЧ осуществляется от специального многообмоточного сухого трансформатора с шестью комплектами трехфазных вторичных обмоток (шкаф БТ). Сдвиги фаз между обмотками составляют +25˚, +15˚, +5˚, -5˚, -15˚, -25˚, что обеспечивает работу входных выпрямителей по 36-ти пульсной эквивалентной схеме выпрямления и позволяет снизить количество высших гармоник, генерируемых в сеть. Поэтому применение специального фильтра на входе ПЧ не требуется.
Основные номинальные параметры преобразователя частоты «ЭРАТОН-В-380-6-О-10- IP21-УХЛ4»:
Мощность преобразователя частоты - 3940 кВА
Мощность силового согласующего трансформатора - 5000 кВА
Первичная обмотка трансформатора - 6 кВ
Отклонения питающего напряжения - +10%, -10%
Отклонения питающего напряжения без отключения привода - - 25%
Вторичные обмотки трансформатора - 18х0,69 кВ
Входной выпрямитель - 36-пульсный
Выходное напряжение - 0…6000В
Диапазон выходной частоты - 0,2-50 Гц
Номинальный выходной ток - 380А
Коэффициент мощности (Cos φ) на входе преобразователя - > 0.96
КПД с трансформатором - 97%
Конструктивно предлагаемое к поставке оборудование выполнено в виде металлических шкафов одностороннего обслуживания, которые располагаются в один ряд. Слева располагается один шкаф с силовым согласующим трансформатором (БТ), затем располагаются шесть одинаковых шкафов силовых блоков (ШСБ) с силовыми ячейками преобразователя частоты в каждом шкафу. Далее устанавливается шкаф управления (ШУ). Все силовые шкафы (БТ, ШСБ) имеют принудительное воздушное охлаждение, которое обеспечивается вентиляторами, расположенными на крыше шкафов. Степень защиты силовых шкафов IP21. Во всех шкафах предусмотрены блокировки открытия дверей. Шкаф управления IP54.
В каждом шкафу силовых блоков (ШСБ) расположены по вертикали три силовые ячейки преобразователя частоты, которые могут выдвигаться для осмотра, замены и ремонта. Внешний вид силовой ячейки показан на рисунке 6.
Рисунок 6. Внешний вид силовой ячейки преобразователя частоты «ЭРАТОН-В-6»
Внешний вид шкафа управления (ШУ) преобразователем показан на рисунке 7.
В шкафу управления (ШУ) расположены платы блока управления (БУ), платы контроллера обработки внешних сигналов управления, источник бесперебойного питания, блок питания и набор коммутационной аппаратуры (реле). На двери шкафа управления снаружи размещена панель местного управления (ПМУ). На внутренней части двери ШУ размещены принципиальные электрические схемы.
Блок управления (БУ) в ШУ содержит комплект плат управления силовыми ячейками преобразователя частоты. Специальная конструкция БУ позволяет осуществлять быструю замену плат управления в случае их неисправности (время замены одной платы составляет 1-3 минуты).
Рисунок 7. Внешний вид шкафа управления преобразователем частоты
Панель местного управления (ПМУ) предназначена для задания режимов работы преобразователя частоты, индикации текущего состояния и основных параметров преобразователя, а также для редактирования настроек ПЧ. Пример вида окна панели местного управления представлен на рисунке 8.
Управление режимами работы преобразователя осуществляется с панели местного управления (ПМУ) расположенной на передней двери шкафа ШУ и с помощью внешних дискретных (сухие контакты), аналоговых (0…10 В, 4…20 мА) или цифровых сигналов (RS-485, RS-232, Ethernet), которые поступают из системы управления верхнего уровня.
Рисунок 8. Внешний вид панели местного управления
Преобразователь частоты имеет следующие встроенные защиты и блокировки:
- максимальная токовая защита;
- перегрузка по току;
- повышенное/пониженное напряжение питания;
- асимметрия тока;
- последовательность чередования фаз;
- дуговая защита.
Электропривод вентилятора ВЦД-47,5 с преобразователем частоты «ЭРАТОН-В-380-6-О-10-IP21-УХЛ4» потребляет из сети практически только активную мощность при синусоидальном токе в сети и в обмотках электродвигателя. На рисунке 9 показаны зависимости составляющих мощности при регулировании скорости вентилятора ВЦД-47,5 с помощью статорного ПЧ типа «ЭРАТОН-В-380-6-О-10-IP21-УХЛ4».
Рисунок 9. Зависимости составляющих мощности при регулировании скорости вентилятора ВЦД-47,5 статорным преобразователем частоты типа
«ЭРАТОН-В-380-6-О-10-IP21-УХЛ4»
Сопоставление зависимостей мощности при регулировании скорости вентилятора ВЦД-47,5 тремя способами (рисунок 1, рисунок 3, рисунок 9) показывают минимальное потребление всех составляющих полной мощности из питающей сети 6 кВ 50 Гц при использовании статорного преобразователя частоты «ЭРАТОН-В-380-6-О-10-IP21-УХЛ4».
При модернизации действующих электроприводов с электродвигателями с фазным ротором пусковая резисторно-контакторная станция может быть сохранена в качестве резервной. Во время работы преобразователя в роторе или в статоре АДФР пусковая станция отключается контактором. При этом пусковая станция резервируется в рабочем состоянии и может быть включена в любой момент времени для пуска и регулирования скорости электродвигателя. Такая возможность повышает надежность системы электропривода в целом.
3. Опыт внедрения преобразователей частоты «ЭРАТОН» производства ЗАО «ЭРАСИБ» для плавного пуска и регулирования скорости вентиляторов главного проветривания
3.1. Роторные тиристорные преобразователи типа «ЭРАТОН-ФР-АТК»
Мощные тиристорные роторные преобразователи «ЭРАТОН-ФР-АТК» для управления вентиляторами главного проветривания шахт и рудников с приводными асинхронными электродвигателями с фазным ротором работают на двух ГВУ ВЦД-47 в России и Казахстане.
3.2. В 2021 году ЗАО «ЭРАСИБ» изготавливает два высоковольтных преобразователя частоты типа «ЭРАТОН-В-184-6-50-О-00-1Р21-УХЛ3.1» (1900 кВА, 184А, 6 кВ) для модернизации установок главного проветривания ВОД-30 и ВОД-40 с приводными синхронными электродвигателями мощностью 1600 кВт 6 кВ Малеевского рудника ГОК «Алтай» ТОО «Казцинк».
Для заказа электропривода и системы управления ГВУ обратитесь к нашим специалистам по телефону (383) 383 07 96 либо по электронной почте erasib@erasib.ru и Вы получите предложение с учетом специфики вашего предприятия и с учетом расходов на доставку, проектные работы, шефмонтаж и пуско-наладочные работы.
