1. Описание действующего комбинированного вентильно-машинного каскада главной вентиляционной установки ВЦД-47 «Север» и постановка задачи
На нескольких рудниках Заполярного филиала ПАО «ГМК «Норильский никель» используются главные вентиляционные установки (ГВУ) типа ВЦД-47 «Север», в которых применяется электропривод по системе комбинированного вентильно-машинного каскада. Структурная схема такой ГВУ изображена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема ГВУ ВЦД-47 «Север» с комбинированным вентильно-машинным каскадом
Система комбинированного вентильно-машинного каскада (СКВМК) содержит два приводных электродвигателя (М1, М3 рисунок 1), которые соединены с двумя концами главного вала вентилятора ГВУ. Электродвигатель М1 – высоковольтный (6 кВ) асинхронный электродвигатель с фазным ротором (АДФР) типа АКС-3150-6-500 УХЛ4 (мощность 3500 кВт, обороты 495 об/мин, напряжение ротора 1360В, ток ротора 1560А). Второй приводной электродвигатель (М3) постоянного тока (мощность 1600 кВт, обороты 500 об/мин, напряжение якоря 930В, ток якоря 1830А). В СКВМК также входят: неуправляемый мостовой выпрямитель в роторе АДФР (Вп) и двухмашинный агрегат по схеме двигатель-генератор (СД – Г) с генератором постоянного тока М5 (мощность 2200 кВт) и гонным синхронным электродвигателем М4 (мощность 2500 кВт). Генератор двухмашинного агрегата (М5) питает якорь электродвигателя постоянного тока М3.
Электропривод ГВУ ВЦД-47 работает в двух диапазонах скорости и, соответственно, мощности вентилятора с различной структурой электропривода. В диапазоне скорости 0 – 250 об/мин вентилятор приводится в действие одним электродвигателем постоянного тока (М3), а в диапазоне скорости 250 – 495 об/мин вентилятор приводится во вращение двумя электродвигателями – асинхронным электродвигателем с фазным ротором М1 и электродвигателем постоянного тока М3.
При пуске вентилятора и регулировании скорости от 0 до 250 об/мин статор АДФР (М1) отключен от сети 6 кВ 50 Гц выключателем В1 и не создает вращающего момента на валу вентилятора. Плавный пуск и повышение оборотов вентилятора обеспечивается приводным электродвигателем постоянного тока М3 за счет регулирования тока якоря и момента на валу с помощью двухмашинного агрегата СД – Г (М4 и М5).
Для перехода во вторую зону регулирования производят кратковременное повышение скорости вала вентилятора до 300 об/мин электродвигателем постоянного тока М3 после чего производится изменение структуры электропривода ГВУ за счет включения асинхронного электродвигателя с фазным ротором М1 в активную работу. В результате ряда манипуляций с выключателем постоянного тока В3, возбудителем генератора М5 и выключателем В1 производится подключение АДФР (М1) к сети 6 кВ 50 Гц. В процессе подключения АДФР к сети 6 кВ 50 Гц скорость выла вентилятора снижается до 250 об/мин. После подключения статора АДФР (М1) к сети производится повышение скорости вентилятора до 495 об/мин за счет увеличения суммарного момента электродвигателей М3 и М1. Повышение суммарного момента приводных электродвигателей производится за счет повышения тока якоря электродвигателя постоянного тока М3 и тока ротора АДФР М1 с помощью генератора постоянного тока М5, который входит в состав двухмашинного агрегата СД – Г.
Достоинствами электропривода ГВУ с двухмашинным регулирующим агрегатом СД – Г является потребление из питающей сети относительно малой реактивной мощности при малых искажениях тока за счет применения гонного перевозбужденного синхронного электродвигателя (М4). На рисунке 2 показаны зависимости мощности на валу ГВУ и составляющих полной мощности от скорости вала вентилятора при регулировании производительности ГВУ комбинированным машинно-вентильным каскадом.
Рисунок 2. Зависимости мощности на валу ГВУ и составляющих полной мощности в сети 6 кВ 50 Гц комбинированного машинно-вентильного каскада
К недостаткам электропривода ГВУ с машинно-вентильным каскадом следует отнести большие потери мощности в агрегате СД – Г из-за низкого КПД каскада электрических машин, большие затраты на обслуживание и ремонт электрических машин и низкую надежность устаревшего силового оборудования и устаревшей системы управления ГВУ.
Ставится задача повышения надежности и энергоэффективности оборудования ГВУ за счет модернизации оборудования электропривода.
Модернизация электропривода ГВУ при сохранении приводных электродвигателей переменного тока (М1) и постоянного тока (М3) может быть выполнена за счет замены двухмашинного агрегата СД – Г (М4 и М5) на статический полупроводниковый преобразователь постоянного тока с цифровой микропроцессорной системой управления. Замена электромашинного агрегата на статический преобразователь снизит потери электроэнергии в электроприводе ГВУ за счет повышения КПД, сократит эксплуатационные затраты на обслуживание и ремонт оборудования электропривода и повысит надежность силового оборудования электропривода.
В данном материале рассматриваются предложения ЗАО «ЭРАСИБ» по модернизации ГВУ ВЦД-47 «Север» при условии сохранения приводных электродвигателей (АДФР 3500 кВт 495 об/мин и ДПТ 1600 кВт 500 об/мин 930В).
2. Предложения ЗАО «ЭРАСИБ» по замене двухмашинного агрегата (СД – Г) на управляемый выпрямитель
ЗАО «ЭРАСИБ» может выполнить замену двухмашинного агрегата СД – Г на тиристорный преобразователь постоянного тока (ППТ) собственной разработки и производства типа «ЭПТОН».
Структурная схема электропривода ГВУ после модернизации будет иметь вид, показанный на рисунке 3.
В структурной схеме (рисунок 2) двухмашинный агрегат (М4 и М5) заменен на преобразователь постоянного тока (ППТ) типа «ЭПТОН», в состав которого входит силовой преобразователь для питания цепи якоря и преобразователь для питания обмотки возбуждения электродвигателя постоянного тока М3.
Рисунок 3. Структурная схема ГВУ ВЦД-47 «Север» с ППТ «ЭПТОН»
Дополнительно в структурную схему (рисунок 3) могут быть введены механические переключатели постоянного тока (в цепь якоря и в цепь обмотки возбуждения электродвигателя постоянного тока М3), с помощью которых возможно переключение питания электродвигателя М3 от ППТ «ЭПТОН», или от заменяемого двухмашинного агрегата (СД – Г). Таким образом будет обеспечено резервирование электропривода ГВУ, что дополнительно повысит его надежность.
На рисунках 4 и 5 изображены расчетные зависимости тока якоря ДПТ М3 (рисунок 4) и напряжения якоря ДПТ М3 (рисунок 5) в статических режимах при регулировании скорости вентилятора ВЦД-47 «Север».
Рисунок 4. Зависимости тока якоря электродвигателя постоянного тока М3
Рисунок 5. Зависимости напряжения якоря электродвигателя постоянного тока М3
Согласно приведенным графикам зависимостей тока и напряжения ДПТ М3 статический полупроводниковый преобразователь постоянного тока должен быть рассчитан на номинальный ток порядка 2000А и напряжение не менее 900В. Преобразователь также должен обеспечивать перегрузку по току не менее 125% (2500А) в течение времени разгона вентилятора.
ЗАО «ЭРАСИБ» поставляет 6-ти, 12-ти и 24-х пульсные тиристорные преобразователи постоянного тока с цифровыми микропроцессорными системами управления марки «ЭПТОН-М» на номинальный ток до 6000А, номинальное напряжение до 1000В. Преобразователи «ЭПТОН-М» изготавливаются по техническим условиям ИКПН3.211.258ТУ. Основное достоинство тиристорных преобразователей – относительно низкая цена при достижении достаточно высокого качества регулирования электропривода постоянного тока.
Применение тиристорных преобразователей для регулирования момента и скорости электродвигателей постоянного тока вместо двухмашинного агрегата СД – Г сопровождается появлением ряда негативных факторов, к числу которых относится существенное потребление реактивной мощности из питающей сети (вместо генерации в сеть реактивной мощности системой СД - Г) и искажение формы тока в питающей сети за счет широкого спектра высших гармоник (в отличие от синусоидального тока системы СД–Г). В свою очередь, высшие гармоники входного тока тиристорного преобразователя приводят к искажениям напряжения сети, что отрицательно влияет на работу других потребителей электроэнергии.
При достаточно большой мощности приводного электродвигателя М3 (мощность 1600 кВт, ток якоря до 2500А) целесообразно использовать 12-ти и 24-х пульсные тиристорные преобразователи. Стоимость собственно тиристорного преобразователя по 12-ти пульсной и 24-х пульсной схеме практически полностью совпадают, поскольку для выходного тока 2000-2500А используется параллельное соединение нескольких мостовых тиристорных комплектов. Отличаются 12-ти и 24-х пульсные тиристорные преобразователи силовым согласующим трансформатором. Для 12-ти пульсной схемы преобразователя необходим преобразовательный трехобмоточный трансформатор с двумя вторичными обмотками со взаимным сдвигом напряжений на 30 эл. градусов, либо два двухобмоточных трансформатора с разными группами соединения обмоток, от которых запитаны два, или четыре мостовых тиристорных комплекта. Для 24-х пульсной схемы необходим пятиобмоточный трансформатор с четырьмя вторичными обмотками с взаимным сдвигом напряжений на 15 эл. градусов, либо два трехобмоточных трансформатора с разными группами соединения обмоток, от которых запитаны четыре мостовых тиристорных комплекта.
Поскольку в действующем электроприводе ГВУ (рисунок 1) электродвигатель постоянного тока получает питание от генератора постоянного тока, напряжение и ток которого практически не имеют пульсаций, то для замены генератора на полупроводниковй выпрямитель целесообразно использовать 24-х пульсную схему выпрямления, которая имеет существенно меньшие пульсации выходного напряжения и тока, чем 12-ти пульсная схема. Минимальные пульсации напряжения и тока якоря ДПТ особенно важно обеспечить, если ДПТ не шихтованный.
С точки зрения нежелательной генерации высших гармоник тока в питающую сеть более предпочтительным также является 24-х пульсный преобразователь, который в идеальном случае генерирует в сеть 23-ю, 25-ю гармоники тока и гармоники тока более высоких порядков с относительно небольшими амплитудами. 12-ти пульсный тиристорный преобразователь генерирует в сеть более широкий спектр высших гармоник тока начиная с 11-той и 13-той гармоник с заметными амплитудами.
Для компенсации высших гармоник тока в питающей сети ЗАО «ЭРАСИБ» предлагает к поставке резонансные фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ), которые устанавливаются до точки подключения согласующих силовых трансформаторов, питающих тиристорные преобразователи. Каждое ФКУ настраивается на подавление одной гармонической составляющей, общее количество ФКУ равно числу гармоник, имеющих наибольшие амплитуды. Для 12-ти пульсных преобразователей необходимо четыре РФКУ для подавления 11, 13, 23, 25 гармоник. Для 24-х пульсного преобразователя необходимо два ФКУ для подавления 23 и 25 гармоник.
Оценка составляющих полной мощности в сети 6 кВ 50 Гц при регулировании скорости и производительности вентилятора ВЦД-47 «Север» тиристорным преобразователем постоянного тока может быть произведена по расчетным зависимостям, которые показаны на рисунке 6.
Рисунок 6. Зависимости составляющих полной мощности, потребляемых электроприводом вентилятора ВЦД-47 «Север» из сети 6 кВ 50 Гц при регулировании производительности тиристорным преобразователем
Сравнение зависимостей составляющих полной мощности при управлении скоростью вентилятора тиристорным выпрямителем (рисунок 6) с аналогичными зависимостями исходной схемы электропривода (рисунок 2) показывает, что из питающей сети уменьшается потребление активной мощности и увеличивается потребление реактивной мощности. В первой зоне регулирования генерирование реактивной мощности в сеть 6 кВ 50 Гц более 1200 кВАр сменяется потреблением реактивной мощности до 1500 кВАр. Во второй зоне регулирования потребление реактивной мощности увеличивается с 800 кВАр до 3160 кВАр. Если потребление дополнительной реактивной мощности недопустимо по условиям работы энергосистемы, то потребуется использование дополнительного оборудования – установка компенсатора реактивной мощности. Частично потребление реактивной мощности может быть снижено при установке резонансных фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ), которые фильтруют высшие гармоники тока в сети 6 кВ 50 Гц и генерируют в сеть реактивную мощность. При необходимости снижения потребления реактивной мощности из питающей сети до нуля потребуется установка регулируемого компенсатора реактивной мощности. При установке ФКУ, которое генерирует в сеть реактивную мощность 2000 кВАр, зависимости полной и реактивной мощности модернизированного электропривода станут практически идентичными аналогичным зависимостям исходной системы электропривода.
Для модернизации электропривода вентиляторов ВЦД-47 «Север» на базе тиристорных преобразователей постоянного тока ЗАО «ЭРАСИБ» предлагает к поставке следующий комплект оборудования:
Наименование Количество, шт.
1. ПЧ "ЭПТОН-М-2000/200-930/400-Н1/Н1-IP21-УХЛ3.1" 1
2. Трансформатор силовой ТРСЗП-2500/6 УХЛ3 1
3. Сглаживающий реактор СРОСЗ на 500А 4
4. Комплект ЗИП 1
Преобразователь "ЭПТОН-М-2000/200-930/400-Н1/Н1-IP21-УХЛ3.1" представляет собой 24-х пульсный тиристорный нереверсивный преобразователь постоянного тока для питания цепи якоря ДПТ М3 (номинальный ток 2000А, номинальное напряжение 930В, перегрузка по току 2500А в течение 60 сек) с 6-ти пульсным тиристорным нереверсивным преобразователем питания обмотки возбуждения (ток возбуждения 200А, напряжение возбуждения до 400В). Охлаждение принудительное воздушное. Степень защиты преобразователя IP21. Возможно исполнение преобразователя со степенью защиты IP54 (вентиляционные отверстия IP21).
Силовой согласующий трансформатор ТРСЗП-2500/6 УХЛ3 представляет собой сухой пятиобмоточный трансформатор номинальной мощности 2500 кВА с одной первичной и четырьмя вторичными обмотками. Схема и группа соединения обмоток Y/YDавтоDDавто-0-0,5-1-11,5. Обмотки трансформатора могут быть выполнены медными или алюминиевыми. Стоимость трансформатора с алюминиевыми обмотками существенно ниже трансформатора с медными обмотками.
Сглаживающие реакторы СРОСЗ на номинальный ток 500А (4 шт.) обеспечивают равномерное распределение тока нагрузки тиристорного преобразователя между четырьмя мостовыми комплектами и сглаживание пульсаций тока якоря ДПТ.
Тиристорный преобразователь в цепи якоря ДПТ по 24-х пульсной силовой схеме обеспечит регулирование скорости и производительности вентилятора с минимальными пульсациями тока якоря ДПТ и минимальными искажениями формы тока в питающей сети. На рисунке 7 показаны зависимости коэффициента полезного действия электропривода при регулировании производительности ГВУ типа ВЦД-47 «Север» старой системой регулирования (рисунок 1) и новой системой регулирования (рисунок 3).
Рисунок 7. Зависимости коэффициента полезного действия электропривода ГВУ ВЦД-47 «Север» с регулированием СД-Г-Д и с регулированием ППТ-Д
При необходимости улучшения формы тока, потребляемого тиристорным преобразователем из питающей сети, и частичной компенсации реактивной мощности на величину 2000 кВАр, ЗАО «ЭРАСИБ» дополнительно поставит комплект резонансных ФКУ.
3. Заключение
3.1. Замена электропривода постоянного тока по схеме СД-Г-Д на электропривод постоянного тока по схеме преобразователь постоянного тока – двигатель (ППТ-Д) на ГВУ ВЦД-47 «Север» при сохранении общей структуры комбинированного машинно-вентильного каскада снизит энергопотребление, повысит надежность работы оборудования и снизит эксплуатационные затраты на обслуживание электрических машин.
3.2. Применение тиристорных преобразователей частоты типа «ЭПТОН-М» для питания цепи якоря и цепи возбуждения электродвигателя постоянного тока без дополнительного компенсирующего оборудования позволяет выполнить модернизацию электропривода с минимальными затратами.
3.3. При замене машинного агрегата СД-Г на тиристорный преобразователь целесообразно применить 24-х пульсный преобразователь в цепи якоря двигателя постоянного тока, что обеспечит минимальные пульсации напряжения и тока якоря ДПТ. ЗАО «ЭРАСИБ» имеет положительный опыт разработки и применения 24-х пульсного тиристорного преобразователя «ЭПТОН-М-5500», который поставлен в НПО «ЭЛСИБ» ПАО и работает на разгонно-балансировочном стенде с 2015 года.
3.4. Применение тиристорных преобразователей для управления электродвигателем постоянного тока без дополнительного компенсирующего оборудования приводит к потреблению из питающей сети значительной реактивной мощности и к искажениям тока и напряжения в питающей сети выше допустимых значений по ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
3.5. Установка фильтро-компенсирующего устройства резонансного типа в электропривод ГВУ с тиристорными преобразователями повышает качество потребляемой электроэнергии до требований ГОСТ 32144-2013 и уменьшает потребление реактивной мощности из сети 6 кВ 50 Гц до значений, характерных для исходного электропривода с синхронным электродвигателем и генератором постоянного тока.
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.
