Рекуперативный транзисторный бездатчиковый частотно-регулируемый электропривод экскаватора ЭКГ-5


Рекуперативный транзисторный бездатчиковый частотно-регулируемый электропривод экскаватора ЭКГ-5



  1. Назначение

    Рекуперативный транзисторный частотно-регулируемый электропривод (РЧРЭП) разработки и производства ЗАО «ЭРАСИБ» предназначен для замены пяти главных электроприводов постоянного тока экскаватора ЭКГ-5 (подъема, напора, вращения платформы, гусеничного хода и открывания днища ковша) на регулируемый электропривод переменного тока с асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором без датчиков скорости и положения вала электродвигателей.

  2. Основание для разработки РЧРЭП экскаватора ЭКГ-5

    Инициативная разработка ЗАО «ЭРАСИБ», основанная на опыте разработки, внедрения и промышленной эксплуатации в течение десяти лет рекуперативных транзисторных частотно-регулируемых электроприводов управления всеми механизмами крана без датчиков скорости и положения вала электродвигателей типа "ЭРАТОН" в условиях горячих цехов алюминиевого комбината ОАО «БРАЗ». Рекуперативный транзисторный электропривод переменного тока для кранового электропривода без датчиков положения и скорости разработан специалистами ЗАО «ЭРАСИБ» успешно используется на кранах ОАО «БРАЗ» в цехе розлива расплавленного металла. Представляется возможным применить этот алгоритм работы электропривода на экскаваторах, например, ЭКГ-5.

  3. Цель замены главных электроприводов экскаватора ЭКГ-5
    Целью замены электроприводов является исключение из состава электрооборудования экскаватора ЭКГ-5 электрических машин постоянного тока – как генераторов, так и двигателей для:
    • освобождения службы эксплуатации экскаваторов от обслуживания щеточно-коллекторных узлов и снижения за счет этого эксплуатационных расходов;
    • снижения потребления электроэнергии оборудованием экскаваторов за счет рекуперации энергии торможения движущихся масс в питающую сеть, повышения суммарного КПД до уровня не менее 90% и коэффициента мощности до уровня не менее 0,95.
  4. Асинхронные электродвигатели главных приводов экскаватора ЭКГ-5

    Электромашиностроительные заводы РФ в настоящее время не выпускают асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором для экскаваторов ЭКГ-5. Поэтому ЗАО «ЭРАСИБ» выполнило проработку РЧРЭП для экскаватора ЭКГ-5 на базе асинхронных электродвигателей с фазным ротором 4МТНФ-400L8У1(Т2) (подъем) и 4АК250М4У3 (напор, поворот, ход), которые имеют технические параметры и массогабаритные показатели, близкие к аналогичным показателям электродвигателей постоянного тока экскаватора ЭКГ-5. Предполагается на первых этапах опытно-промышленная эксплуатация РЧРЭП с указанными электродвигателями при закороченном роторе с последующей разработкой и производством специальных экскаваторных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором в тех же габаритах и с теми же способами крепления, что и в используемых сейчас электродвигателях постоянного тока. Соответствующая договоренность имеется с руководством Технического центра ОАО «СЭЗ» (г. Сафоново).

    В Таблице 1 представлены технические параметры электродвигателей постоянного тока, применяемых на экскаваторе ЭКГ-5, и асинхронных электродвигателей, выбранных для главных электроприводов экскаватора ЭКГ-5. Сопоставление показателей электродвигателей постоянного и переменного тока свидетельствует о возможности использования асинхронных электродвигателей типа 4МТНФ-400L8У1(Т2) (подъем) и 4АК250М4У3 (напор, поворот, ход) в качестве базовых для разработки РЧРЭП экскаватора ЭКГ-5.

    Таблица 1

    Назначение Тип двигателя Номинальная мощность, кВт ПВ, % Номинальный ток, А Номинальное напряжение, В nс, об/мин nmax, об/мин Ммаксном Мпускном Номинальный момент на валу, кНм
    Подъем ДЭ-816У2 (Т2) 200 100 490 440 750


    2,55
    Подъем 4МТНФ-400L8У1 200 100 407 380 750
    2,8 2,8 2,55
    Напор ДПЭ-52У1(Т1) 54 100 150 395 1200 2200 2,4 2,86 0,43
    Напор 4АК250М4У3 71
    137 380 1500
    3,0 3,0 0,45
    Поворот ДПВ-52У1(Т1) 60 80 220 305 1230 2200 2,0 2,42 0,47
    Поворот 4АК250М4У3 71
    137 380 1500
    3,0 3,0 0,45
    Ход ДПЭ-52У1(Т1) 54 45 мин. 150 395 1200 2200 2,4 2,86 0,43
    Ход 4АК250М4У3 71
    137 380 1500
    3,0 3,0 0,45
  5. Преобразователь частоты для главных приводов экскаватора ЭКГ-5

    Структурная схема преобразователя частоты для частотного управления главными электроприводами экскаватора ЭКГ-5 показана на рис. 1. Преобразователь частоты РЧРЭП содержит пять выходных транзисторных инверторов напряжения для регулирования скорости асинхронных электродвигателей подъема, напора, поворота (два электродвигателя), хода и открытия днища ковша. Один электродвигатель поворота и электродвигатель хода управляются поочередно одним инвертором 4. Входные цепи постоянного тока всех пяти инверторов через двухполюсные выключатели объединены в общую сеть постоянного тока, которая подключена к выходу постоянного тока сетевого инвертора напряжения, названого рекуператором. К промежуточной сети постоянного тока подключено резервное тормозное устройство для облегчения работы механических тормозов при аварийном отключении питающей сети. Трехфазный вход переменного тока рекуператора через силовой синусный LC-фильтр, низковольтный автомат, согласующий силовой масляный трансформатор экскаваторного исполнения ТМЭ-400 (Тр) и высоковольтную ячейку подключен к сети 6 кВ 50 Гц. Все инверторы напряжения и рекуператор построены на базе низковольтных преобразователей частоты типа «ЭРАТОН-М5» производства ЗАО «ЭРАСИБ».

    Рис. 1. Структурная схема РЧРЭП экскаватора ЭКГ-5

    Сетевой транзисторный инвертор напряжения (рекуператор) управляется по закону синусоидальной широтно-импульсной модуляции и обеспечивает преобразование переменного напряжения питающей сети в постоянное напряжение, свободный обмен активной мощностью между сетью переменного и постоянного тока, поддержание синусоидальной формы тока и заданного коэффициента мощности на входе установки. Высокочастотные составляющие напряжения и тока рекуператора не пропускаются в питающую сеть синусным LC-фильтром. Мощность рекуператора выбрана равной 300 кВт по условию одновременной работы электродвигателей подъема и тяги, а также одновременного рекуперативного торможения электродвигателя подъема и двух электродвигателей поворота.

    Выходные инверторы напряжения управляются по закону синусоидальной широтно-импульсной модуляции и обеспечивают векторное управление моментом и скоростью электродвигателей без датчика положения и скорости вала. Диапазон регулирования скорости с постоянным моментом без датчика положения 1:100. Все инверторы формируют сигналы управления механическим тормозом соответствующего электродвигателя. Каждый инвертор напряжения обеспечивает кратковременную работу электродвигателя в режиме перегрузки с максимальным моментом, длительную работу электродвигателя с номинальным моментом до номинальной скорости, работу при скорости выше номинальной с постоянной мощностью вала и рекуперативное торможение электродвигателя с возвратом мощности в общую сеть постоянного тока и в питающую сеть переменного тока через рекуператор.

  6. Решение основных проблем электропривода экскаватора ЭКГ-5 с РЧРЭП на базе преобразователей частоты «ЭРАТОН-М5» производства ЗАО «ЭРАСИБ»
    1. Транзисторные преобразователи частоты «ЭРАТОН-М5» с входным рекуператором обеспечивают работоспособность электропривода экскаватора в условиях слабых карьерных сетей, параметры которых выходят за рамки границ, определенных ГОСТами, например ГОСТ 13109-97. Это обеспечивается за счет стабилизации рекуператором напряжения в промежуточной сети постоянного тока с высокой точностью независимо от изменений напряжения сети переменного тока.
    2. Входной рекуператор на базе преобразователя частоты «ЭРАТОН-М5» обеспечивает поддержание синусоидальной формы тока и заданного коэффициента мощности на входе установки. Высокочастотные составляющие напряжения и тока рекуператора не пропускаются в питающую сеть синусным LC-фильтром.
    3. Снижение уровня потребления активной мощности электроприводом экскаватора с РЧРЭП за счет повышения значения суммарного КПД электропривода до уровня не менее 90% обеспечивается за счет относительно высокого КПД асинхронных электродвигателей (94-95%) и высокого КПД преобразователей частоты «ЭРАТОН-М5» (97-98%).
    4. Цифровая система управления преобразователей частоты «ЭРАТОН-М5» реализует большое количество защит и блокировок, в том числе защиту от самохода экскаватора.
    5. Преобразователи частоты «ЭРАТОН-М5» обеспечивают безударный выбор зазоров в механических передачах главных приводов экскаватора, создают требуемые усилия основных механизмов экскаватора, ограничивают темп нарастания усилий по условию прочности механического оборудования (S-характеристики), а также ограничивают максимальный момент и ток электродвигателей по условию электрической прочности.
    6. Преобразователи частоты «ЭРАТОН-М5» обеспечивают управление механическими тормозами и электрическое торможение с рекуперацией энергии в сеть и адекватным реагированием на знак тормозных моментов механизмов главных приводов экскаватора.
    7. Конструктивное исполнение преобразователей частоты «ЭРАТОН-М5» обеспечивает надежную работу электроприводов экскаватора в условиях запыленности, выбрации и тряски.
    8. Эффективная система отвода тепла в жаркое время года и система предварительного прогрева и поддержания заданной температуры в шкафах преобразователей частоты «ЭРАТОН-М5» в холодное время года обеспечивает работоспособность электроприводов экскаватора в диапазоне температур в карьере от -40º до +45ºС.
    9. Минимальное время восстановления работоспособного состояния электроприводов экскаватора ЭКГ-5 с РЧРЭП на базе «ЭРАТОН-М5» обеспечивается за счет использования стандартных моноблоков инвертора напряжения мощностью 75 кВт с одним-двумя резервными моноблоками. При этом требуемая мощность рекуператора 300 кВт обеспечивается параллельным соединением четырех моноблоков по 75 кВт, а требуемая мощность инвертора подъема 200 кВт обеспечивается параллельным соединением трех моноблоков по 75 кВт. Всего потребуется 10 основных моноблоков и 1-2 резервных. Размеры одного моноблока (ВхШхГ) 650х410х300 мм, масса 55 кг. Нахождение неисправного моноблока по световой индикации и его замену пересоединением двух кабелей (входного и выходного) может осуществить малоквалифицированный в области электроники персонал.