МАШИНА ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК

МАШИНА ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ В ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК

 

Иванцов В.В., к.т.н., доцент, заместитель генерального директора ЗАО «ЭРАСИБ»

(декабрь 2012 г.)

 

В настоящей работе рассмотрен вариант применения машины двойного питания (МДП) в электроприводе шахтной подъемной машины (ШПМ) с низковольтным тиристорным преобразователем частоты с непосредственной связью (НПЧ) в статоре и транзисторным рекуперативным инвертором напряжения (РИН) в роторе асинхронного электродвигателя с фазным ротором (АДФР).

 

В предыдущей публикации на сайте ЗАО «ЭРАСИБ» , посвященной частотно-регулируемому электроприводу ШПМ с высоковольными асинхронными электродвигателями с фазным ротором (АДФР), автором предложен к использованию в шахтных подъемных машинах электропривод с низковольтными рекуперативными транзисторными инверторами напряжения в статоре и роторе электродвигателя, которые переводят АДФР режим полностью управляемой машины двойного питания (МДП). Такой электропривод обеспечивает управление ШПМ без датчиков положения вала электродвигателей, что важно при модернизации ШПМ без замены электродвигателей с фазным ротором, и без высоковольтных контакторных реверсоров в статоре АДФР.

 

На рис. 1 показана упрощенная структурная схема силовых цепей электропривода МДП с транзисторными низковольтными рекуперативными инверторами напряжения (РИН) в статоре и роторе АДФР. Транзисторные преобразователи подключаются к различным низковольтным обмоткам согласующего трансформатора (как показано на рис. 1), или к общей низковольтной обмотке. Установка рекуперативных инверторов напряжения в статор и ротор АД ФР обеспечивает двойное питание электродвигателя от двух относительно низковольтных источников электроэнергии, регулирующих скорость электродвигателя путем изменения амплитуды и частоты напряжения и тока статора и ротора.

 

Рис. 1. Схема реверсивного электропривода с низковольтными транзисторными

РИН в статоре и роторе АДФР

 

Для управления АДФР в режиме двойного питания от регулируемых низковольтных транзисторных инверторов напряжения (рис. 1) было предложено использовать следующий алгоритм :

 

1. При неподвижном вале АД ФР на обмотку статора от статорного преобразователя подается низковольтное трехфазное напряжение, например, 600 В с частотой 5 Гц (10% номинального напряжения статора 6000 В 50 Гц). На обмотку ротора от роторного преобразователя подается также трехфазное низковольтное напряжение с действующим значением 10% напряжения холостого хода ротора также с частотой 5 Гц (10% напряжения ХХ ротора). Векторы напряжений статора и ротора вращаются в одном направлении с одинаковой скоростью.

 

2. Для начала вращения вала АД ФР система регулирования начинает снижать напряжение и частоту статорного преобразователя и повышать напряжение и частоту роторного преобразователя в режиме векторного управления. Момент двигателя и скорость вала за счет этого начинают увеличиваться.

 

3. При переходе статорного напряжения через нулевое значение в определенный момент времени статорный преобразователь изменяет порядок чередования фаз и начинает повышать амплитуду и частоту напряжения статора АД ФР. Роторный преобразователь продолжает повышать амплитуду и частоту напряжения ротора. Векторы потокосцеплений ротора и статора после реверса фаз статора начинают вращаться в противоположных направлениях, при этом скорость вращения вала равна сумме скоростей вращения векторов потокосцеплений статора и ротора.

 

4. При повышении напряжения статора до 600 В и его частоты до 5 Гц статорный преобразователь прекращает повышение амплитуды и частоты напряжения, подаваемого на обмотку статора. Роторный преобразователь продолжает повышать амплитуду и частоту напряжения, подаваемого на обмотку ротора и доволит их значения до величин, обеспечивающих требуемую скорость вала. Например, при частоте поля ротора 45 Гц и частоте поля статора 5 Гц вал электродвигателя будет вращаться с номинальной скоростью. При скорости поля ротора 50 Гц и статора 5 Гц скорость вала будет выше синхронной (соответствует 55 Гц).

 

5. Для снижения скорости до нуля процессы регулирования производятся в обратном порядке.

6. Для реверса направления вращения вала АД ФР нужно при нулевой скорости вала одновременно реверсировать порядок чередования фаз статора и ротора двумя преобразователями и повторить операции управления с п.п. 1 по п.п. 4. При этом вал электродвигателя будет вращаться в обратном направлении.

 

Рассмотренные электропривод (рис. 1) и алгоритм позволяют:

 

- управлять моментом электродвигателя без датчика положения вала АДФР как при нулевой скорости, так и при регулировании скорости;

- увеличивать скорость вала как до номинальной скорости АДФР, так и до синхронной скорости, которая соответсвует частоте сети 50 Гц, а также выше синхронной скорости;

- выполнять торможение электродвигателя с рекуперацией энергии движения в питающую сеть;

 

- изменять направление вращения вала АДФР (направление движения сосуда ШПМ) без контакторного реверсора в статоре электродвигателя и без задержки на его переключение.

Все перечисленное выше достигается за счет использования низковольтных преобразователей частоты в статоре и роторе АДФР, которые имеют меньшую стоимость по сравнению с высоковольтными (6 кВ) статорными преобразователями частоты. При этом суммарная мощность (и стоимость) двух преобразователей остается постоянной и перераспределяется между статорным и роторным преобразователями.

 

К недостаткам бездатчикового электропривода по схеме МДП с низковольтными РИН (рис. 1) можно отнести сложность повышения максимального напряжения статорного РИН выше 600В и соответствующей этому напряжению максимальной частоты выше 5 Гц. В предыдущей публикации о электроприводе ШПМ с приводными АДФР  отмечалось, что цифровой бездатчиковый электропривод с АДФР не обеспечивает регулирование скорости в диапазоне частот ±2Гц вблизи синхронной скорости, что не позволяет достигнуть номинальной скорости АДФР.

 

Поскольку в электроприводе МДП с транзисторными РИН (рис. 1) синхронная частота напряжения статора изменяется с 50Гц до 5Гц, то зона навозможного регулирования скорости АДФР в диапазоне ±2Гц также переносится в область низких частот относительно 5Гц.

 

Это приводит к трудностям регулирования малой скорости движения сосудов ШПМ при малых оборотах вала АДФР на втором и шестом участках тахограммы движения, а также при осмотрах ствола шахты. Для устранения этого недостатка необходимо применять электропривод с датчиком положения вала электродвигателя, что трудно выполнить при модернизации электропривода ШПМ с сохранением старых электродвигателей, либо необходимо повысить максимальную частоту статорного РИН до уровня 8 - 10Гц, а его максимальное напряжение до уровня 960 — 1200В для разноса синхронной частоты и частоты, соответствующей малым скоростям движения сосудов ШПМ, что приведет к усложнению структуры статорного РИН и его существенному удорожанию.

 

Избежать перечисленных выше недостатков электропривода по схеме МДП с низковольтными преобразователями частоты в статоре и роторе АДФР без ухудшения качественных и стоимостных показателей можно путем замены статорного транзисторного инвертора напряжения на незаслуженно забытый в последние годы тиристорный непосредственный преобразователь частоты (с сохранением в роторе АДФР транзисторного рекуперативного инвертора напряжения). Структурная схема силовых цепей такого гибридного электропривода показана на рис. 2.

 

Рис. 2. Схема реверсивного электропривода с низковольтным тиристорным НПЧ в статоре и низковольтным транзисторным РИН в роторе АД ФР

 

В электроприводе по схеме МДП (рис. 2) с низковольтным роторным транзисторным РИН и низковольтным статорным тиристорным НПЧ сохраняются все перечисленные выше достоинства реверсивного электропривода, которые обеспечивают высокие энергетические и динамические показатели электропривода ШПМ.

 

Тиристорный НПЧ в статоре АДФР по схеме МДП (рис. 2) должен регулировать частоту напряжения статора в диапазоне не более ±10Гц с реверсом порядка чередования фаз при переходе через нулевую частоту, что обеспечивает даже маловентильная 18-ти тиристорная схема трехфазного НПЧ.

 

Тиристорный НПЧ автоматически изменяет направления потока активной мощности в цепи статора АДФР, что обеспечивает тормозной режим электропривода с рекуперацией энергии движения в сеть.

 

Тиристорный НПЧ имеет меньшую стоимость, чем транзисторный РИН такой же мощности. Даже маловентильная 18-ти тиристорная схема НПЧ может быть выполнена на выходное линейное напряжение до 1200В и выходную частоту до 10Гц. В электроприводе МДП с таким статорным НПЧ мощность и максимальное напряжение роторного транзисторного РИН будут снижены на 20% (по сравнению с подключением статора АДФР к сети 6 Кв), что может привести к упрощению силовой схемы роторного РИН и снизит его стоимость.

На рис.3 изображена упрощенная принципиальная схема силовых цепей МДП с 18-ти тиристорным НПЧ в статоре и транзисторным РИН в роторе АДФР. Такая силовая схема создается на базе серийных преобразователей частоты типа «ЭРАТОН» производства ЗАО «ЭРАСИБ» - роторном транзисторном рекуперативном инверторе напряжения «ЭРАТОН-ФР» и тиристорном НПЧ «ЭРАТОН-М» и позволяет управлять скоростью АДФР с напряжением ротора до 820В. Для управления АДФР с напряжением ротора более 820В необходимо применять более сложные силовые схемы роторного РИН.

 

Рис. 3. Упрощенная принципиальная схема МДП с НПЧ в статоре и РИН в роторе АДФР

 

Рассмотрим вопросы передачи активной мощности в силовых цепях электропривода по схеме МДП (рис. 2, рис. 3) при регулировании скорости вала АД ФР:

1. При нулевой скорости и нулевом моменте двигателя (наложен механический тормоз на барабан ШПМ) преобразователи частоты создают только реактивный ток возбуждения АД ФР, который может быть распределен между обмоткой ротора и статора.

 

При отпускании тормоза к валу АД ФР приложится момент нагрузки, который может иметь как положительный знак, способствующий движению вала в направлении вращения поля двигателя, так и отрицательный знак, препятствующий движению вала в направлении вращения поля. Для сохранения нулевой скорости система регулирования должна обеспечить формирование момента АД ФР, совпадающего по величине и противоположного знака с моментом нагрузки.Для создания момента АД ФР определенного знака необходима передача активной мощности через воздушный зазор в определенном направлении.

 

При отрицательном моменте нагрузки активная мощность для создания положительного момента АД ФР будет передаваться по контуру от роторного РИН, через ротор, зазор, статор, статорный НПЧ и трансформатор к роторному РИН. Из сети при этом потребляется только мощность потерь в преобразователях и двигателе. В обмотках ротора и статора протекают токи, отличающиеся по величине пропорционально коэффициенту трансформации АД ФР, т.е. ток нагрузки статорного преобразователя в несколько раз меньше тока нагрузки роторного преобразователя.

 

При положительном моменте нагрузки для поддержания нулевой скорости вала система регулирования изменит направление потока активной мощности в контуре преобразователи - двигатель на противоположный.

 

2. Для повышения скорости вала АД ФР система регулирования увеличивает активный ток ротора и статора за счет увеличения напряжения ротора и снижения напряжения статора и пропорционально повышает частоту напряжения обмотки ротора роторным РИН и снижает частоту напряжения обмотки статора с помощью НПЧ, что приводит к возрастанию момента АДФР. После возрастания момента двигателя выше момента нагрузки вал АДФР начинает вращаться. При этом активная мощность ротора возрастает, а статора уменьшается. На вал электродвигателя поступает разность мощностей ротора и статора.

 

3. Одновременно с переходом частоты статорного НПЧ через нулевое значение и реверсом фаз статора изменяется направление потока мощности через НПЧ на противоположное, после чего активная мощность на вал АД ФР начинает поступать через обмотку ротора и обмотку статора, т.е. активные мощности статора и ротора суммируются и передаются на вал. Поскольку амплитуда и частота напряжений ротора и статора увеличиваютя системой регулирования, активная мощность вала возрастает.

 

4. При достижении частоты напряжения статора, например, 10 Гц, а его действующего значения 1200В, дальнейшее их увеличение прекращается и поток активной мощности через статорный НПЧ прекращает увеличиваться. Скорость вала продолжает увеличиваться за счет роста частоты и амплитуды напряжения ротора с помощью роторного РИН. При этом растет активная мощность, передаваемая на вал через роторный преобразователь.

 

5. При достижении частоты роторного преобразователя 40 Гц вал АДФР вращается с номинальной скоростью электродвигателя, соответствующей 50 Гц, поскольку частоты поля ротора и статора складываются. При этом активная мощность, передаваемая на вал АДФР, делится между двумя преобразователями частоты - роторным и статорным. Через роторный ПЧ проходит 80% мощности, через статорный - 20% (при выбранных параметрах статорного ПЧ). Суммарная мощность, проходящая через два ПЧ не превышает мощность, передаваемую на вал АДФР (без учета потерь).

 

6. После достижения синхронной или номинальной скорости двигателя начинается подъем груза ШПМ в режиме стабилизации скорости (четвертый участок тахограммы подъема). При этом момент и мощность на валу АДФР уменьшаются до величин, соответствующих нагрузке двигателя. Если момент нагрузки в течение всего подъема не меняет знак и препятствует подъему, то направления потоков мощности через преобразователи не меняется - мощность передается на вал. Если момент нагрузки при подъеме изменит знак (например, в режиме перегона пустых скипов), то изменится направление потора активной мощности через двигатель и преобразователи должны будут передавать активную мощность в сеть.

 

7. При подходе поднимаемого сосуда к поверхности производится замедление. Замедление может производится без изменения знака момента электродвигателя и с изменением знака момента. Если знак момента двигателя при замедлении положителен, поток мощности направлен из сети на вал АДФР. При отрицательном замедляющем мементе АДФР направления потоков мощности через преобразователи меняется на противоположный.

8. После замедления скорость вала АДФР относительно небольшая, мощность вала также небольшая, поэтому через преобразователи передается относительно небольшая мощность, которая существенно меньше установленной мощности преобразователей в роторе и статоре. Направление передачи активной мощности в статоре и роторе зависит от знака момента на валу АДФР.

 

9. После замедления скорости вала АДФР до нуля производится реверс фаз напряжений ротора и статора преобразователями с переходом частоты через нулевое значение. После реверса фаз в роторе и статоре можно выполнять пуск двигателя с вращением вала в обратном направлении без контакторного реверсора в статоре АДФР. Реверс направления движения ШПМ без контакторного реверсора в статоре уменьшает время цикла ШПМ.

Таким образом, применение машины двойного питания с приводным АДФР и низковольтными тиристорным НПЧ в статоре и транзисторным рекуперативным инвертором напряжения в роторе позволяет создать электропривод шахтной подъемной машины с высокими энергетическими и динамическими показателями при минимальных стоимостных показателях оборудования.