Резервирование преобразователя частоты в электроприводе шахтной подъемной машины


Иванцов В.В., к.т.н., доцент, заместитель генерального директора ЗАО «ЭРАСИБ»
(декабрь 2012 года)

Одними из основных показателей электропривода шахтных подъемных машин (ШПМ) являются высокая надежность и малое время восстановления работоспособности аппаратуры. Повышение надежности частотно-регулируемого электропривода ШПМ достигается существенным повышением надежности собственно преобразователя частоты, а также его резервированием.

Традиционно в СССР и затем в РФ электропривод переменного тока ШПМ строился на базе приводных асинхронных электродвигателей с фазным ротором (АДФР) мощностью до 1000 кВт в единице. Пуск и регулирование скорости электропривода переменного тока с приводными АДФР традиционно выполнялся ступенчатым регулированием роторных сопротивлений пусковой резисторно-контакторной станции (ПРКС). Такой электропривод надежен, прост в наладке и эксплуатации, но имеет низкие энергетические показатели и малую точность управления, что приводит к несоответствию его характеристик современным требованиям к электроприводу шахтных подъемных машин.

Совершенствование систем электропривода ШПМ с приводными АДФР развивается по пути применения роторных полупроводниковых преобразователей частоты, например, транзисторных рекуперативных преобразователей напряжения (РПН) типа «ЭРАТОН-ФР» производства ЗАО «ЭРАСИБ». Высокая надежность электропривода с полупроводниковыми роторными преобразователями и приводными АДФР обеспечивается, как за счет собственно преобразователя частоты, так и за счет его резервирования традиционной пусковой резисторно-контакторной станцией (ПРКС), которая сохраняется в горячем резерве и обеспечивает работу ШПМ при отключеном роторном преобразователе.

Наметившаяся в последние годы тенденция перехода в ШПМ от электроприводов с приводными АДФР к электроприводам переменного тока с приводными синхронными двигателями (СД) и асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) определяет необходимость поиска новых методов повышения надежности электропривода ШПМ со статорными преобразователями частоты. В данной работе рассмотрен один из способов повышения надежности электропривода ШПМ за счет резервирования статорного транзисторного преобразователя частоты относительно недорогим тиристорным преобразователем частоты с непосредственной связью (НПЧ).

На рисунке 1 показана упрощенная однолинейная структурная схема частотно-регулируемого электропривода ШПМ с приводным электродвигателем переменного тока — синхронным двигателем (СД), или асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) и статорным рекуперативным преобразователем напряжения (РПН). ЗАО «ЭРАСИБ» разработало электропривод для редукторных и безредукторных ШПМ по рассматриваемой схеме (рисунок 1) под маркой «ЭРАТОН-ВР».

Рисунок 1 - Однолинейная структурная схема электропривода ШПМ со статорным РПН

Управление моментом и скоростью приводного двигателя в электроприводе (рисунок 1) осуществляет рекуперативный преобразователь напряжения (РПН), который устанавливается между относительно низковольтной обмоткой согласующего трансформатора (Тр) и статором электродвигателя. Статорный РПН содержит статорный преобразователь напряжения, который осуществляет векторное регулирование момента и скорости двигателя, и сетевой преобразователь напряжения, обеспечивающий двухсторонний обмен мощностью между питающей сетью и промежуточным звеном постоянного тока с конденсатором С. Кроме статорного РПН обязательным элементом электропривода ШПМ является датчик положения вала электродвигателя (цифровой энкодер), без которого невозможно управлять моментом электродвигателя при нулевой и низких скоростях вала.

Рассматриваемый электропривод с электродвигателем переменного тока и статорным РПН (рисунок 1) обеспечивает высокую точность регулирования момента и скорости электродвигателя и высокую точность формирования тахограммы движения ШПМ при высоких энергетических показателях электропривода — относительно низких потерях, регулируемом потоке реактивной мощности в сети при минимальных искажениях потребляемого тока и тока электродвигателя. Определенным сдерживающим фактором применения данного электропривода в ШПМ является полная зависимость работоспособности ШПМ от работоспособности преобразователя частоты, отказ которого приведет к остановке ШПМ, а также относительно высокая стоимость РПН, практически исключающая полное резервирование преобразователя вторым комплектом РПН.

Второй вариант построения частотно-регулируемого электропривода переменного тока с СД или АДКЗ, применяемый в настоящее время, основан на использовании статорного тиристорного преобразователя частоты с непосредственной связью (НПЧ) и относительно низкочастотного электродвигателя, номинальная частота которого в два и более раз ниже частоты сети 50 Гц. Упрощенная однолинейная структурная схема такого электропривода показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Однолинейная структурная схема электропривода ШПМ со статорным НПЧ

Электропривод с НПЧ и СД или АДКЗ (рисунок 2) также обеспечивает высокую точность регулирования момента и скорости электродвигателя и высокую точность формирования тахограммы движения сосуда ШПМ, но имеет низкие энергетические показатели — потребляет из сети значительную реактивную мощность и мощность искажения, а также требует применения специальных низкочастотных электродвигателей. Привлекательным показателем данного варианта электропривода является более низкая стоимость НПЧ по сравнению с транзисторными РПН, но затраты на компенсацию реактивной мощности и мощности искажения в сети, а также необходимость применения специальных низкочастотных электродвигателей сводят на нет это преимущество и ограничивают область применения данного варианта.

Относительно низкая цена тиристорного НПЧ позволяет использовать его в качестве резервного преобразователя в частотно-регулируемом электроприводе ШПМ с транзисторным РПН. Специалисты ЗАО «ЭРАСИБ» разработали частотно-регулируемый электропривод для редукторных и безредукторных ШПМ с приводными СД и АДКЗ, основным статорным преобразователем — транзисторными РПН типа «ЭРАТОН-ВР» и относительно недорогим резервным статорным преобразователем — тиристорным НПЧ типа «ЭРАТОН-М». Резервирование статорного преобразователя частоты позволяет существенно повысить надежность работы ШПМ с частотно-регулируемым электроприводом и приводными СД или АДКЗ. Упрощенная однолинейная структурная схема такого электропривода показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Структурная схема электропривода ШПМ с основным РПН и резервным НПЧ

Согласно рисунку 3 электропривод содержит два статорных преобразователя частоты — основной РПН и резервный НПЧ, которые подключаются к сети и электродвигателю через контакторы К1 и К2. При работе основного РПН резервный НПЧ отключен контакторами К1, К2. Статорный РПН обеспечивает регулирование скорости СД (АДКЗ) в требуемом диапазоне до номинальной скорости электродвигателя, соответствующей частоте 50 Гц. При этом скорость движения ШПМ также регулируется до максимальной. Например, типовая максимальная скорость клетевой ШПМ при подъеме/спуске грузов составляет 8 м/с. При подъеме/спуске людей скорость клети выбирается ниже и не превышает 4 м/с. При работе электропривода с РПН обеспечиваются высокие энергетические показатели в сети — реактивная мощность и мощность искажения не потребляются.

Отключение РПН (регламентные работы, выход из строя) и подключение резервного НПЧ соответствующими контакторами переводит электропривод в режим управления с ограничением максимальной скорости ШПМ. При использовании электродвигателя с номинальной частотой 50 Гц и работе тиристорного НПЧ максимальная скорость ШПМ не достигает требуемых значений из-за ограничений, накладываемых НПЧ на предельно достижимую частоту его выходного напряжения. При этом электропривод сможет развивать требуемый динамический и статический момент и необходимую тахограмму движения со скоростью, равной половине максимальной скорости сосудов ШПМ. Производительность ШПМ при подъеме/спуске грузов снизится, но подъем останется в рабочем состоянии, что может иметь важное значение в критических ситуациях. Подъем/спуск людей при работе НПЧ будет производится в штатном режиме с типовой скоростью, равной половине максимальной скорости ШПМ (например, 4 м/с), что также имеет важное значение в критических ситуациях. Использование специальных электродвигателей с пониженной вдвое номинальной частотой питающего напряжения (25 Гц) снимает ограничение максимальной скорости электродвигателя и сосудов ШПМ в режимах работы резервного НПЧ.

Таким образом, резервирование транзисторного рекуперативного преобразователя частоты тиристорным НПЧ позволяет повысить надежность электропривода ШПМ с минимальными затратами, поскольку стоимость тиристорного НПЧ относительно невелика.

В качестве примера реализации статорного преобразователя с описанными выше принципами резервирования для частотно-регулируемого электропривода ШПМ на рисунке 4 показана упрощенная принципиальная схема трехфазного рекуперативного силового блока с резервированием, которая используется для управления электродвигателями с номинальным напряжением до 690 В.

Рисунок 4 - Упрощенная принципиальная схема трехфазного преобразователя с резервированием

Для управления электродвигателями с номинальным напряжением более 690 В используются более сложные силовые схемы преобразователя частоты. На рисунке 5 показана упрощенная принципиальная схема однофазного рекуперативного блока с резервированием (ОРБР), на базе которого строятся силовые схемы трехфазных статорных преобразователей частоты с резервированием. Увеличение числа выходных фаз преобразователя частоты производится за счет установки трех ОРБР, а увеличение мощности — за счет повышения выходного напряжения последовательным соединением однофазных рекуперативных силовых блоков (ОРБР) в каждой выходной фазе и повышения выходного тока параллельным соединением нескольких ОРБР. Для питания преобразователя с ОРБР используются многообмоточные согласующие трансформаторы с гальванически несвязанными трехфазными вторичными обмотками.

Рисунок 5. Упрощенная принципиальная схема однофазного силового блока с резервированием


Товары