г. ЖЕЛЕЗНОГОРСК, РОССИЯ

1. СОЗДАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОМПЛЕКТНЫХ УСТРОЙСТВ (НКУ) НА БАЗЕ СИСТЕМЫ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ-ДВИГАТЕЛЬ (ТП-Д) ДЛЯ СЕРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ А. Я Микитченко, В. В. Сафошин, Э. Л. Греков, М. В. Могучёв, А. Н. Шевченко, А. А. Жирков, А. Н. Шоленков, Д. Р. Шевченко Рис. 1 г. ЖЕЛЕЗНОГОРСК, РОССИЯ

2. Рис.1 ОАО «Рудоавтоматика» - относительно небольшое, уникальное в своей отрасли, предприятие – чуть больше 200 человек работающих. Однако выручка от реализации продукции внушительна, 225 млн. руб. в год (2010г.), - практически по миллиону на каждого. Мы поставляем низковольтные комплектные устройства (НКУ) управления электрическими экскаваторами на три крупнейших завода, выпускающих экскаваторы: «ИЗ-КАРТЭКС», «УЗТМ», «НКМЗ», и 30 горно-обогатительных комбинатов (ГОКов) России, ближнего (Украина, Казахстан, Узбекистан и др.) и дальнего (Вьетнам, Монголия и др.) зарубежья. Предприятию 35 лет, из которых 20 лет оно на рынке экскаваторов. В конце года цифра поставок достигнет 500 комплектов. Поскольку продукция весьма наукоемка, на предприятии создана сильная научная группа, выросшая из научной школы МЭИ, в которой трудятся два доктора и несколько сотрудников, четверо из которых кандидаты технических наук. Все они поименованы на заставке (рис. 1) с названием презентации. Разработка эта весьма высокого научного, технического и экономического уровня. Инновационная система управления, обеспечивая увеличение производительности на 15-20%, позволяет потреблять энергию из сети улучшенного качества с коэффициентом мощности 0,95…0,99, уменьшая самое потребление активной энергии по сравнению с традиционной системой генератор-двигатель в 1,5…2 раза.

3. НКУ КЭР-05Г-ТЦ для экскаватора ЭКГ-5 Рис. 2

4. НКУ КЭР-10Г-ТЦ для экскаватора ЭКГ-10, КЭР-06Ш-Т для экскаватора ЭШ-6/45 Рис. 3

5. НКУ КЭР-12Г-ТЦ для экскаватора ЭКГ-12К, КЭР-06Ш-ТЦ для экскаватора ЭШ-6/45 Рис. 4

6. НКУ КЭР-15Г(18Г)(20Г)-ТЦ для экскаваторов ЭКГ-15(18)(20), КЭР-11Ш-ТЦ для экскаватора ЭШ-11/70 на монтаже Рис. 5

7. Рис. 2…5 В работе речь идет о НКУ для серии электрических карьерных экскаваторов ЭКГ-5 (рис.2) («УЗТМ»), ЭКГ-10Т (рис.3), ЭКГ-12К (рис.4), ЭКГ-15Т, ЭКГ-18Р, ЭКГ-20К (рис.5) (все «ИЗ-КАРТЭКС»), а также драглайнов ЭШ6/45 (рис.4) и ЭШ11/70 (рис.5) («НКМЗ»).

8. Структурная схема НКУ КЭР-18Г(20Г)-ТЦ для экскаватора ЭКГ-18Р (20К) Рис. 6

9. Рис. 6 Структура на рис.6 позволяет увидеть общий принцип построения НКУ. Энергетическая установка состоит из высоковольтной ячейки (КРУ), двух силовых трансформаторов (TV1, TV2) с 30-ти градусным сдвигом вторичных напряжений (в ЭКГ-5 один трансформатор), трех ступеней фильтрокомпенсирующего устройства (ФКУ) (на рис.2 глуховключенные фильтры и квадратики бесконтактных ключей с подключаемыми фильтрами - слева). (В ЭКГ-5 ФКУ имеет только одну глухую и одну подключаемую ступень). Три двухдвигательных привода: подъема, поворота, хода, и однодвигательный привод напора (в виде квадратиков реверсивных преобразователей с подключенными двигателями и резисторами аварийного торможения) изображены справа (в ЭКГ-5 привода подъема и хода – однодвигательные, а в ЭКГ-15 привод поворота трехдвигательный). Большая часть электроприводов (с двумя двигателями) по питанию выполнена в виде эквивалентных 12-ти пульсных схем, к которым в процессе работы по необходимости подключаются ступени фильтров ФКУ, настроенные на подавление пятой и седьмой высших гармоник. Одновременно фильтры компенсируют реактивную мощность первой гармоники, потребляемую тиристорными преобразователями главных приводов. В целом экскаватор из сети потребляет практически чистую активную мощность. (Подобная система привода с одномостовыми преобразователями и фильтрами на одну гармонику была установлена фирмой ASEA на экскаваторах фирмы Харнишфегер. Эти мощные экскаваторы имеют плохую электромагнитную совместимость с другими машинами и могут работать только в индивидуальных сетях («Кузбассразрезуголь»)).У лопат с ковшами менее 15м3 и драглайна ЭШ-6/45 силовые трансформаторы имеют мощность 400 кВА. На остальных, более мощных экскаваторах мощность силовых трансформаторов 630кВА.

10. Все тиристоры силовых якорных преобразователей, ФКУ и тормозные выбраны одинаковыми на один и тот же ток короткого замыкания. Ток короткого замыкания ограничивается преобразовательными трансформаторами. Это обеспечивает унификацию оборудования и отсутствие защитных реакторов в цепях постоянного и переменного тока. Силовая схема получается легкой. Выравнивание тепловых нагрузок в шкафах обеспечивается за счет охладителей и вентиляции. Кабельные цепи питания между трансформаторами и преобразователями, а также между преобразователями и двигателями короткие. Внутренняя электромагнитная совместимость между приводами обеспечивается специальными решениями в драйверах. Якорные цепи имеют четыре уровня защиты от сверхтоков в аварийных ситуациях. При случайных отключениях сети работа тиристоров поддерживается за счет бесперебойного питания в течение некоторого времени, достаточного для вывода из работы преобразователей, включения электрического торможения, наложения тормозов. НКУ для экскаваторов-лопат с объемом ковшей 5, 10,15 м3 и драглайнов с объемом ковшей 6 и 11 м3 могут устанавливаться не только на новые машины, но также использоваться для модернизации существующих.

11. Кабина ШГП 1,2 ШВП ФКУ1 ФКУ2 ПМ1 ПМ 2,3 ПМ4 ПМ5 ПМ6 БУ2 БУ1 БУ3 БУ4 В1 В2 В3 В4 M1H M1H M2H MD MS MS1 M2H MC M1P M2P MS2 Структура системы управления ЭКГ-12К Рис. 7

12. Рис.7 К способу и системе управления самим НКУ у разработчиков двоякое отношение. С одной стороны, на более мелких машинах, где ожидается большая доля использования по модернизации (ЭКГ-5, ЭКГ-10, ЭШ-6/45), учитывая невысокую квалификацию обслуживающего персонала на ГОКах, систему управления выполнили традиционно электрической, радиальной. При этом электрические сигналы управления передаются от джойстиков с места оператора к шкафам главных приводов по индивидуальным витым парам. То же и с остальным оборудованием. В более крупных машинах, с большим уровнем электромагнитных помех в шкафах, там, где НКУ будут устанавливаться на новые машины (с ковшом более 10м3 и часть драглайнов ЭШ-6/45) используется управление, построенное на базе единой цифровой информационной сети (рис.7). Это продвинутое, соответствующее духу времени, решение применяют в передовых отраслях, например, авиации. Материально сеть выполнена вокруг одной витой электрической пары. В наиболее электромагнитно напряженных местах (следует помнить, что коммутационные процессы в тиристорах при реальных нагрузках протекают с темпами в миллионы ампер в секунду) использовано оптоволокно. Процессорные модули ПМ системы управления одновременно присутствуют во всех шкафах НКУ (см. рис.7): кабине, двух шкафах главных приводов ШГП1 и ШГП2, шкафу вспомогательных приводов ШВП, двух шкафах фильтрокомпенсирующего устройства ФКУ1 и ФКУ2. По типу процессорных модулей построены блоки управления БУ и возбудители В, находящиеся в двух шкафах главных приводов. Связь процессорных модулей ПМ между шкафами и блоков управления БУ с драйверами тиристоров выполнена оптоволокном.

13. Проц. модули Модуль сбора данных Блоки управления Возбудители I MODBUS MODBUS MODBUS MODBUS CAN II БитПроц БитПроц БитПроц БитПроц III I/O Soft I/O Soft I/O Soft I/O Soft Вход 110 Драйверы Драйверы Монитор Выход 110 Дат. U/I Дат. U/I Вых. 380 … Уровни системы управления Рис. 8

14. Рис.8 Все процессорные модули, блоки управления и возбудители аппаратно и программно разделены на три уровня. I – для связи с сетью; III – для связи с исполнительными устройствами; II – битовое пространство – это зона, где создается «технологическая программа» и одновременно «существуют» до 250 процессов сети.

15. Технологическая программаЭКГ-12К хоз. номер 1 Рис. 9

16. Рис.9 «Технологическая программа» – язык высокого уровня – в виде графических изображений типовых звеньев структурных схем (см. рис.9 в центре): например, зависимый задатчик интенсивности ЗЗИ, регулятор напряжения РН; регулятор тока РТ, сумматор и т.д. Программа вводится с компьютера с помощью специальной библиотеки.

17. UdH IdH UdC IdC UdS IdS IвS IвН Осциллографирование переменных информационной сети Рис. 10

18. Рис.10 Подключившись в любом месте сети можно считать битовое пространство и визуализировать любой из 250-ти физических процессов. Эти процессы по 8 шт. можно выводить ни экран компьютера. Например, на рис.10 представлены переменные : токи Id и напряжения Ud якорных преобразователей, токи возбуждения Iв возбудителей приводов подъема H, напора C, поворота S.

19. Цифровая сеть НКУ Сенсорный монитор Источник бесперебойного питания Модуль сбора данных Промышленный компьютер Вычислительные модули СУ НКУ Аппаратная организация ИДС Рис. 11

20. Рис.11 Через модуль сбора данных в шкафу вспомогательных приводов ШВП можно передать информацию из битового пространства в промышленный компьютер и, затем, на монитор перед оператором.

21. Главное окно программы Рис. 12

22. Рис.12 С помощью сенсорных клавиш на экран монитора можно вывести до 10 страниц заставок, - например, виртуальные приборы переменных по главным приводам.

23. Окно ошибки Рис. 13

24. Рис.13 В случае неисправности, отключения, аварии на монитор выводится окно ошибки. Например, отключение КРУ из-за снижения давления воздуха в системе.

25. Диаграмма якорных напряжений и токов в цикле погрузки Рис. 14

26. Рис.14 Данные битового пространства можно сохранить во флэш-памяти на ограниченный период времени (сутки, неделю, несколько месяцев), затем расшифровать и просмотреть процессы в интересующем месте («черный ящик»).

27. Структурная схема НКУ КЭР-12Г-ТЦ на переменном токе по системе УВ-АИТ-АД Рис. 15

28. Рис.15 Рассмотренное выше НКУ с сетевым программным управлением может быть использовано для относительно простого перехода к системе переменного тока управляемый выпрямитель – автономный инвертор тока – асинхронный двигатель (УВ-АИТ-АД) с частотно-токовым управлением. Сравним схемы на рис. 6 и на рис. 15. Очевидно, что энергетическая установка аппаратно - одна и та же (вверху и слева). Что касается реверсивного преобразователя (справа), то его необходимо разделить на управляемый выпрямитель (вверху) и автономный инвертор тока, или коммутатор, (внизу). Коммутатор придется дополнить узлом искусственной коммутации УИК (на базе БУ или В). Конструкция шкафа позволяет это сделать. К коммутатору подключается асинхронный двигатель с датчиком частоты вращения. При той же мощности двигателя тепловые нагрузки преобразователя частоты вдвое больше. Вопрос решается за счет улучшения охлаждения. Такая возможность предусмотрена. Все остальное выполняется перепрограммированием сети. Алгоритмы управления преобразователями частоты предварительно проработаны. (Подобная система электропривода была установлена фирмой Дженерал Электрик на экскаваторе В295 фирмы «Бюсайрус-Ири». Не решена была проблема рекуперации энергии.) Очевидно, что вопросы управляемости, динамики, надежности и энергетики в предложенной системе переменного тока (рис. 15) остаются на том же уровне, что и в системе постоянного тока (рис.6), а может и превосходят их по некоторым позициям. Проблема в том, что пока нет отечественных серийно выпускаемых двигателей переменного тока экскаваторного исполнения для регулируемых электроприводов.

29. График суммарной реактивной мощности, потребляемой электроприводами ЭКГ-5 за цикл копания Рис. 16

30. Рис.16 Теперь о самом больном вопросе ТП-Д (а значит и УВ-АИТ-АД) – плохой энергетике. График расчетной потребляемой реактивной мощности Q1 за цикл работы экскаватора ЭКГ-5 представлен на рис.16. Он типичен для всех карьерных экскаваторов – два уровня, четыре пика. Такое потребление можно компенсировать одной ступенью, равной Q1ср.≈300 кВАр. Но если экскаватор включен, но не работает, то ее нужно отключать, чтобы не нагружать трансформатор емкостными токами. Подключать ФКУ удобно в функции суммарного тока всех приводов, вернее даже суммы модулей токов приводов Σ |Idi|. Как только начинает работать какой-либо из приводов, ФКУ может быть подключено.

31. Осциллограммы потребляемого тока, напряжения трансформатора собственных нужд, тока ФКУ и тока возбуждения двигателя подъема в цикле работы ЭКГ-5 Рис. 17

32. Рис.17 На ЭКГ-5 мы включаем ФКУ чтобы уменьшить потребляемый из сети ток I1 и разгрузить трансформатор. Здесь I1 – модуль действующего сетевого тока. Включилось ФКУ (появился ток IФКУ) – уменьшается ток сети I1 (см. рис. 13), отключилось ФКУ (исчез ток IФКУ) – увеличивается ток сети I1. Благодаря работе ФКУ сетевой ток ЭКГ-5 с системой ТП-Д примерно в 1,5 раза меньше, чем ток ЭКГ-5 с системой Г-Д. По данной осциллограмме (рис.17) следует отметить, что на своих экскаваторах мы используем двухзонное регулирование. При копании форсируем ток возбуждения Iв (уменьшая требуемый ток якоря и энергопотребление в этом режиме), при опускании ковша уменьшаем ток возбуждения Iв, увеличивая скорость опускания. Это позволяет нам по току возбуждения «видеть» и анализировать отдельные этапы цикла.

33. Зависимость cos φср.ц. от уставки включения ФКУ по суммарному току электроприводов Рис. 18

34. Рис.18 Включая и отключая ступень ФКУ мы одновременно с уменьшением потребляемого тока I1 регулируем коэффициент мощности (cos φ). Если включать ФКУ рано (при малых токах уставки Σ|Idi|), потребляемую реактивную мощность можно перекомпенсировать (cos φ<1 – опережающий). Если включать ФКУ поздно (большие уставки суммарного тока Σ|Idi|), потребляемая реактивная мощность будет недокомпенсирована (cos φ<1 – отстающий). В общем случае настройка будет зависеть также от мощности компенсирующей ступени, напряжения сети и загрузки экскаватора в цикле. Всегда можно настроить для некоторого цикла cos φ≈1.

35. Остановка привода подъема ЭКГ-5 при отключении сети Рис. 19

36. Рис.19 Уже на ЭКГ-5 выяснилось, что при соответствующем управлении ФКУ в состоянии предотвратить главный недостаток системы ТП-Д для экскаваторного электропривода – опрокидывание инвертора при отключении питания. Наличие небольшой глухоподключенной ступени не только увеличивает надежность электропривода, но дополнительно облагораживает сеть, например, на тот случай, когда неподалеку в линии работают буровые станки. Кроме того, облегчаются процессы включения-отключения силовых трансформаторов. После этого на всех экскаваторах мы стали оставлять глухую ступень 200 кВАр на каждый трансформатор. Этого достаточно, чтобы предотвратить опрокидывание для двигателя 200 кВт, томозящегося с тройным номинальным током. На осциллограмме (рис. 19) видно, что после отключения сети (Uсети) в момент торможения, ФКУ замещает собой сеть в течение трех периодов. Для выполнения операций, связанных с организацией динамического торможения, достаточно одного периода. Горб в кривых тока Id и напряжения Ud проявляется в связи с обеспечением режима самовозбуждения (по требованию «УЗТМ»).

37. Q кВАр 2000 Q Q ТП Σ Ф КУ 1000 Q с ети 0 t Графики составляющих реактивной мощности за цикл экскавации ЭКГ-12К Рис. 20

38. Рис.20 На больших экскаваторах с системой ТП-Д график расчетной потребляемой реактивной мощности за цикл Q такой же, как на ЭКГ-5 (два уровня, четыре пика), только величины больше. Поэтому кроме глухой ступени мы подключаем еще две подключаемые (на каждый трансформатор). Потребляемая из сети реактивная мощность при этом равна Qсети=QТПΣ-QФКУ. Задача – приблизить QФКУ к QТПΣ так близко, чтобы Qсети→0 или min. Однако в связи со сложностью управления в функции потребляемой реактивной мощности QТПΣ, управляем подключением ступеней в функции Σ|Idi|. Алгоритм включения отрабатываем на моделях.

39. 0 U1 6200В 5590В I1 158А I1.ср=82,5А 0 1070А 1420А 850А 356А Iфку 0 iвп 15А 31А 25А 0 Осциллограммы напряжения сети, потребляемого действующего тока, тока ФКУ, тока возбуждения двигателей подъема в цикле работы ЭКГ-10 Рис. 21

40. Рис.21 На больших экскаваторах с ростом I1 вводится больше ступеней ФКУ (растёт IФКУ), с уменьшением - остается только глухая. Здесь I1 – модуль действующего сетевого тока. Хочу обратить внимание на то, что, как и на ЭКГ-5, регулирование момента двухзонное. При копании мы ток возбуждения подъема форсируем, при опускании – ослабляем.

41. U1 170А I1 0 Iфку 0 iвп 0 Осциллограммы напряжения сети, потребляемого тока, тока ФКУ, тока возбуждения двигателей подъема в цикле работы ЭКГ-10 0 Рис. 22

42. Рис.22 То же самое, что рис.21, только I1 – мгновенный.

43. 1000 ms/дел 1000 ms/дел Осциллограммы сетевого напряжения и тока, тока возбуждения привода подъёма. Снято с экскаватора ЭКГ-5А №19 IВH I1 Снято с ЯКНО ЭКГ-5А, SКЗ=12МВА, FU=2,5% U1 I1 Рис. 23

44. Рис.23 Исследуем искажения потребляемых токов и напряжений. В связи со сложностью идентификации режимов цикла (необходимых впоследствии), при снятии осциллограмм сетевых напряжений U1 и тока I1 с ЯКНО дополнительно сняты осциллограммы сетевого тока I1 и тока возбуждения двигателя подъема Iвн (Н-hoist) непосредственно с ячейки экскаватора. Процессы с ЯКНО сняты в относительно слабой сети с мощностью короткого замыкания в точке подключения Sк.з. = 12МВА. Обращаю внимание на то, что согласно показаниям счетчика СЭТ4ТМ (Н. Новгород) коэффициент искажения синусоидальности напряжения в цикле не превысил Fu≤2,5%. Это важно! Т.к. счетчик снимает показания в определенном временном «окне» с учетом статистики в соответствии с ГОСТ 13109-90.

45. 1 ms/дел U1 Кисн=0,032 Кин=0.99949 t I1 Кит=0,9885 t Спуск ковша (инверторный спуск) Рис. 24

46. Рис.24 Осциллограмма вычленена из осциллограммы рис.23 и соответствует малонагруженному режиму спуска ковша. Коэффициенты искажения тока Кит, напряжения Кин и коэффициенты искажения синусоидальности напряжения Кисн получены аналитически после разложения кривых в ряд Фурье в результате разбиения периода на 400 интервалов. Кит≈0,9885, Кин≈0,99949, Кисн≈0,032=3,2%. Обращает на себя внимание очень хорошая форма тока (высокий коэффициент искажения) несмотря на малое его значение. Заметим, что расчетное значение коэффициента искажения синусоидальности несколько хуже показаний по счетчику. По-видимому, это закономерно, т.к. измерение по ГОСТ 13109-90 предполагает определенную статистику в измерении, чего нет в расчете.

47. 1 ms/дел Кисн=0,049 U1 Кин=0.9988 t Кит=0,9947 I1 t Копание Рис. 25

48. Рис.25 Осциллограмма также получена из осциллограммы на рис. 23 для ЭКГ-5 и соответствует большому потреблению тока при копании. Потребляемый экскаватором ток I1 по форме еще больше приблизился к синусоидальному Кит=0,9947, коэффициенты искажения напряжения и искажения синусоидальности напряжения чуть ухудшились Кин=0,9988, Кисн=0,049. Однако даже эта последняя расчетная величина осталась в пределах допустимой по ГОСТ 13109-90 – менее 5%.

49. U1ac 0 I1a 0 IвН разворот опускание подхват копание 0 t Осциллограммы сетевых напряжения и тока, тока возбуждения привода подъема ЭКГ-10 №74 Sк.з. = 7МВА, Fu = 1,0…2,8% Рис. 26

50. Рис.26 Осциллограммы сетевых напряжения U1ас, тока I1а и тока возбуждения двигателя подъема Iвн для экскаватора ЭКГ-10 при работе в очень слабой сети с мощностью короткого замыкания в точке подключения Sк.з.=7МВА представлены на рис.26. Эта мощность примерно в 3,5 раза меньше по отношению к требуемой для этого экскаватора по техническому заданию на проектирование (25МВА). Кроме того, этот экскаватор находился в самом конце длинной линии, кроме него, в этой линии работало еще три ЭКГ-10 с системой Г-Д, а непосредственно рядом работали три буровых станка. Как видим, размах изменений напряжения в процессе цикла работы составлял 15-20%. Тем не менее, коэффициент искажения синусоидальности напряжения по счетчику СЭТ4ТМ не превышает Fu=2,8%. Интересно отметить, что при работе в этой сети наблюдались случаи остановки экскаваторов с системой Г-Д из-за снижения напряжения. Экскаватор с системой ТП-Д на эти снижения не отреагировал.