Новый взгляд на экскаваторный электропривод

Предприятие «Рудоавтоматика» было создано в 1976 г. для пуска, наладки и обслуживания электрооборудования и промышленной автоматики на трех крупнейших ГОКах Курской магнитной аномалии – Михайловском, Лебединском и Стойленском. В 1992 г. была разработана новая стратегия развития предприятия, ориентированная на производство созданных совместно с Московским энергетическим институтом (МЭИ) низковольтных комплектных устройств (НКУ) для управления электроприводами карьерных и шагающих экскаваторов. Продукция предприятия, зарекомендовавшая себя вполне конкурентоспособной, пользуется спросом как в России (НКУ закупают 11 предприятий), так и за рубежом (Украина, Казахстан, Вьетнам, Монголия). Ориентировочная стоимость НКУ – 70 тыс. долл. США.

Вся продукция ОАО «Рудоавтоматика» сертифицирована в системе обязательной или добровольной сертификации. В 2004 г. действующая на предприятии система менеджмента качества была сертифицирована на соответствие международному стандарту ISO 9001.

В 2003 г. ОАО «Рудоавтоматика» выиграло тендер на поставку НКУ для экскаваторов ЭКГ-10Р, производимых ОАО «Ижорские заводы». В том же году предприятие стало дипломантом премии губернатора Курской области. В 2004 г. НКУ ЭГ-08-У2 выдвинуто на конкурс «Сто лучших товаров России».

Разработанные НКУ управления электроприводами экскаваторов выполнены по системе «тиристорный возбудитель – генератор – двигатель» (ТВ–Г–Д). Система оптимальна по быстродействию; напряжение генератора повторяет сигнал задания.

Тиристорные и транзисторные возбудители, заменившие в экскаваторном электроприводе магнитные усилители, имеют перед ними преимущества в части быстродействия, по массо-габаритным показателям и материалоемкости, но уступают по надежности. Для повышения надежности возбудителей этого типа использован принцип «запасного колеса». В нашем случае колесо – это моноблок, имеющий во всех габаритах серии одинаковую схемотехнику и идентичные характеристики. В нем отсутствуют подстроечные элементы. Моноблок регулирует напряжение, обеспечивает рекуперацию энергии в тормозных режимах, позволяет наращивать мощность путем параллельного или последовательного соединения с аналогичными блоками.  В общем случае он предназначен для работы в НКУ управления электроприводами не только экскаваторов, но и буровых станков, подъемно-транспортных машин, причем не только в качестве возбудителя генератора в системе ТВ–Г–Д, но и в системах тиристорный преобразователь-двигатель (ТП–Д), непосредственный преобразователь частоты – асинхронный двигатель (НПЧ–АД). В каждом моноблоке имеются встроенный двухступенчатый зависимый задатчик интенсивности переходных процессов, защита от коротких замыканий, перегрузок, обрыва фазы, АПВ и система диагностики неисправного состояния. Заменять неисправный моноблок резервным по сигналу датчика неисправного состояния может даже неквалифицированный персонал. После замены работоспособность экскаватора восстанавливается за 10–15 мин. Один запасной моноблок обеспечивает необходимое и достаточное резервирование надежности всех главных электроприводов экскаватора и даже нескольких экскаваторов. Ремонт и обслуживание неисправных моноблоков осуществляется квалифицированным персоналом в стационарных условиях ремонтного предприятия или завода-изготовителя. Для упрощения ремонта и обслуживания моноблоков в них используется одинаковая элементная база российского или зарубежного производства (по желанию заказчика).

Оптимальная система ТВ–Г–Д для главных приводов экскаваторов разработана на основе преобразователей ПТЭМ-1Р. Однако преобразователи этой серии имели целый ряд недостатков. Поэтому ученые МЭИ в тесном сотрудничестве со специалистами ОАО «Рудоавтоматика» разработали новую серию преобразователей второго поколения. Преобразователь ПТЭМ-2Р предназначен для тех же целей, что и ПТЭМ-1Р, а также используется в качестве регулятора напряжения в системе ТРН–АД (тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель), звеньев постоянного тока в асинхронном вентильном каскаде (АВК) и в частотных преобразователях по системе АИТ–АД (автономный инвертор тока – асинхронный двигатель). При разработке ПТЭМ-2Р сохранили лучшие, проверенные практикой, конструктивные решения и узлы преобразователя ПТЭМ-1Р (например, функциональную схему самодиагностики и защиты преобразователя). В этой серии разработано типоисполнение на IJBT-транзисторах.

В серию вошли четыре типоразмера. Модули предназначались для работы в составе непосредственных преобразователей частоты, поэтому для качественного формирования токов создали непрерывные импульсы управления, а для увеличения надежности число электронных элементов модуля сократили до 400. При использовании силовых модулей была упрощена конструкция силовой части, а новые датчики тока и напряжения на основе эффекта Холла обеспечили надежную потенциальную развязку силовых цепей и цепей управления. Существенно изменили схему датчика тока в тиристорах путем введения высоковольтной потенциальной развязки с помощью транзисторных оптронов. СИФУ принята многоканальной, диапазон углов управления симметричный – от α min = 30° до α mах = 150°.

ОАО «Рудоавтоматика» серийно выпускаются два габарита модульных преобразователей ПТЭМ-2Р: мощностью 15 кВт (ток нагрузки 64 А), на тиристорных модулях; мощностью 30 кВт (ток нагрузки 130 А), на таблеточных тиристорах Т320, со схемотехникой ПТЭМ-2Р и с силовой частью второго габарита ПТЭМ-1Р. Первый модуль используется в НКУ экскаваторов ЭКГ-10; ЭКГ-12,5; ЭКГ-15; ЭШ-10/70; ЭШ-15/90, второй – в НКУ ЭКГ-8 и ЭШ-6/45. В целом НКУ оснащено более 100 экскаваторов. Примерно на 20 машинах различных типов проведена частичная модернизация. 15 экскаваторов, оснащенных моноблоками ПТЭМ-1Р в качестве возбудителей электрических машин в системе Г–Д, работают на Михайловском, Стойленском, Качканарском ГОКах и в Оренбургасбесте. Более 85 машин, оснащенных преобразователями ПТЭМ-2Р, работают на Михайловском, Лебединском, Оленегорском, Полтавском и Соколовско-Сарбайском ГОКах, в Оренбургасбесте и других предприятиях. В Междуречье местными службами на базе НКУ производства ОАО «Рудоавтоматика» были самостоятельно собраны системы управления для драглайнов ЭШ-10/70 и ЭШ-15/90. Одна машина ЭКГ-8 в тропическом исполнении работает во Вьетнаме. Подготовлена машина для работы в Монголии.

По данным Лебединского ГОКа, наработка на отказ ПТЭМ-2Р по сравнению с ПТЭМ-1Р возросла в 1.5 раза и составила 15640 ч, значительно превысив наработку у НКУ других производителей: примерно в 5 раз больше, чем у Ш3801 (3514 ч) и в 10 раз – чем у Б3801 (1522 ч). Результаты исследований показали, что НКУ, построенные на базе модулей ПТЭМ, полностью исключают простои экскаваторов благодаря своевременной замене неисправных блоков резервными. По требованию заказчика системы ОАО «Рудоавтоматика» устанавливаются на экскаваторы либо сразу на заводе, либо поставляются и устанавливаются отдельно на месте эксплуатации.

В ОАО «Рудоавтоматика» продолжаются разработки транзисторного преобразователя ПТЭМ-2РИ, хотя использование транзисторов в экскаваторном электроприводе постоянного тока, по мнению специалистов компании, не является определяющим. Их высокое быстродействие может решить лишь две важных задачи: способствовать быстрому восстановлению инвертора в якорной цепи при опрокидывании, если это якорный преобразователь, и получать значительные форсировки в цепях возбуждения двигателей для гашения поля в тех же аварийных ситуациях в якорной цепи, если это возбудитель. Во всех остальных случаях прекрасно работают тиристорные преобразователи.

С точки зрения динамики экскаваторных электроприводов, особенно в режимах тяжелых стопорений, система Г–Д (генератор–двигатель) с полупроводниковым возбуждением практически исчерпывает свои потенциальные возможности. Совершенно естественным становится вопрос о замене инерционного генератора с малым коэффициентом усиления и безынерционного полупроводникового возбудителя с высоким коэффициентом усиления одним быстродействующим элементом с высоким коэффициентом усиления, линейным в широком диапазоне изменения управляющего сигнала.

Мировые тенденции в области увеличения производительности экскаваторов и снижения динамических нагрузок на механическое оборудование на протяжении уже 40 лет акцентированы на повышение быстродействия силового преобразователя электропривода. Для двигателей постоянного тока – это система ТП–Д (тиристорный преобразователь – двигатель) с соответствующим фильтрокомпенсирующим устройством (ФКУ), а для переменного тока – ПЧ–АД (полупроводниковый преобразователь частоты – асинхронный двигатель). В ОАО «Рудоавтоматика» разработки в указанном направлении ведутся совместно с Московским энергетическим институтом (техническим университетом) и Оренбургским государственным университетом.

ОАО «Рудоавтоматика» в инициативном порядке разрабатывает НКУ экскаватора ЭКГ-5 на базе системы ТП–Д. Для безопасного инвертирования расчетное максимальное значение напряжения преобразователя должно значительно превышать максимальное значение напряжения холостого хода двигателя. Электронная защита, убирающая импульсы управления (как в ПТЭМе), в инверторном режиме непригодна, нужны только автоматы. Поэтому в якорной цепи установлен автомат с уставкой выше стопорного значения. Для предотвращения перенапряжений параллельно контактам автомата включен резистор, ограничивающий аварийный ток на уровне стопорного. Желание обойтись без дополнительных реакторов в якорной цепи плюс необходимость завышения напряжения определили концепцию построения силовой схемы – это 12-пульсная двухмостовая (с последовательным соединением мостов) реверсивная схема с синфазным управлением и трехобмоточным трансформатором. Такая силовая схема и такое управление одновременно позволяют свести к минимуму влияние преобразователя на сеть по высшим гармоникам (в спектре сетевого тока отсутствуют гармоники ниже одиннадцатой). Труднее всего было разместить оборудование на платформе ЭКГ-5. Поэтому отказались от реакторов на переменном токе. Исходя из ограничения ударных токов, для всех приводов выбрали одинаковые тиристоры, благодаря чему получили попутные положительные эффекты: унифицированные модули для построения шкафов и возможность работы части приводов (напора и поворота) с естественным охлаждением.

Унифицированный модуль размерами 920(400(1800 мм содержит мостовой реверсивный преобразователь и обеспечивает работу привода напора. Доступ к модулю для обслуживания – односторонний. Шкафы приводов подъема и поворота однотипные, образуются парой модулей, пристыкованных задними стенками. В результате обеспечивается двухсторонний доступ для обслуживания шкафов. Между шкафами образуется внутренняя шахта для обдува, но вентилятор устанавливается только на шкаф подъема.

Автоматы питания обеспечивают последний уровень защиты от ударных токов короткого замыкания (к. з.) в случае недостаточной электронной защиты и автоматической защиты в якорной цепи.

В настоящий момент для экскаваторного электропривода актуален переход на переменный ток. В ОАО «Рудоавтоматика» исследуют рациональные пути решения этого вопроса. Основная проблема здесь в том, что российской промышленностью не выпускаются серийно двигатели переменного тока в экскаваторном исполнении с встроенными датчиками скольжения для регулируемого электропривода. Что касается преобразователей (например, частотных), то в них недостатка нет. В связи с этим предложено выполнять двухфазную асинхронную явнополюсную машину (двигатель Тесла) непосредственно на магнитопроводе «родной» машины постоянного тока. Корпус, якорь, магнитопровод, присоединительные размеры, вал, система вентиляции остаются прежними. Поскольку на четырех полюсах машины постоянного тока можно выполнить только двухполюсную двухфазную машину переменного тока, частота питания статора для получения «родной» частоты вращения требуется небольшая – всего 12–15 Гц. Потери в стали при такой частоте на порядок меньше, чем при 50 Гц. При необходимости корпус выполняется шихтованным. Обмотку якоря можно закоротить по коллектору или заменить стержнями, закороченными с торцов кольцами. Коллектор и дополнительные полюса не нужны, поэтому при производстве машин в заводских условиях для увеличения момента активные части якоря и полюсов можно удлинить, а башмаки полюсов расширить. При этом катушки полюсов выполняют из проводников большего сечения и включают попарно согласно на противоположных полюсах – последовательно или параллельно, что позволяет ступенчато регулировать напряжение и ток статорных обмоток при согласовании с преобразователем. Необходим также встроенный датчик скольжения или потока.

В таком двигателе каждая фаза может получать питание в системе НПЧ–АД от упомянутого выше модуля, имеющего мостовую реверсивную схему. При напряжении питания модуля 380 В его максимальное выходное выпрямленное напряжение равно 445 В (преобразователь зарегулирован с обеих сторон на 30°), а действующее значение – 315 В. Таким образом, при последовательном включении катушек на полюсах двигателя можно рекомендовать их исполнение 315 В/фазу. При параллельном включении напряжение, подаваемое на фазу, следует уменьшить вполовину, а преобразователь фазы может быть выполнен по реверсивной нулевой схеме.

При таком подходе нет большой разницы в том, по какой системе выполнять электропривод: по системе постоянного тока ТП–Д или по системе переменного тока НПЧ–АД. Однако с переходом на систему переменного тока уменьшится вероятность опрокидывания инвертора и многократно облегчится процесс его восстановления, снизятся ударные тормозные моменты при опрокидывании, исчезнет необходимость установки защитных автоматов и тормозных резисторов в цепях питания двигателей и сама вероятность возникновения «кругового огня» по коллектору, возрастут предельные значения моментов электроприводов. Для питания всех преобразователей достаточно одного двухобмоточного трансформатора.

На платформе экскаватора ЭКГ-5 обе системы размещаются одинаково. Трансформатор и два шкафа преобразователей подъема и поворота-хода располагаются у задней стенки – на месте машинного агрегата, а модуль напора и возбудители двигателей – в штатном шкафу электротехнического оборудования позади кабины машиниста.

В системе НПЧ–АД статорные обмотки двигателей подъема и хода выполнены на напряжение 315 В и питаются от двух реверсивных мостовых модулей, которые являются составляющими как шкафа подъема, так и шкафа поворота/хода. Два двигателя вращения имеют параллельное соединение катушек на напряжение 160 В и подключаются пофазно-последовательно к шкафу поворота/хода на шестипульсное напряжение 315 В. Двигатели поворота или хода подключаются к шкафу преобразователя с помощью двух двуполюсных контакторов. Двигатель напора имеет параллельное соединение статорных катушек на напряжение 160 В и получает питание от модуля напора, содержащего два реверсивных нулевых преобразователя на трехпульсное напряжение 160 В. Токовые нагрузки на преобразователи по отношению к системе постоянного тока несколько снижаются.

В схемах с тиристорными преобразователями и постоянного, и переменного тока необходимо компенсировать реактивную мощность сети. Анализируя зависимость суммарной реактивной мощности, потребляемой за цикл экскавации электроприводами экскаватора ЭКГ-5, выполненными по системе НПЧ–АД и ТП–Д, можно предположить, что высокие средневзвешенные цикловые энергетические показатели получаются при нерегулируемом ФКУ. Специалисты ОАО «Рудоавтоматика» предлагают раздробить его примерно пропорционально мощностям отдельных электроприводов и встроить в соответствующие шкафы этих электроприводов.

Для привода переменного тока наибольший интерес представляет создание преобразователя на транзисторах IGBT. Здесь быстродействие преобразователя (постоянная времени меньше 0.001 с) весьма уместно и для формирования токов и для защиты. Разработки в этой области ведутся специалистами Рудоавтоматики в двух направлениях. Первое направление – создание преобразователя постоянного тока типа ПТЭМ, а на его основе с помощью соответствующей обратной связи и релейного регулятора – регулируемого источника тока (РИТ), который устанавливается в каждую фазу двигателя переменного тока. Это позволит создать систему НПЧ–АД мощностью от нескольких единиц до нескольких сотен киловатт и диапазоном регулирования частоты от 0 до 100 Гц, с одноступенчатым преобразованием энергии и энергопотреблением как в системе НВ–АИН (ШИМ) – АД («неуправляемый выпрямитель – автономный инвертор напряжения – асинхронный двигатель»), но с рекуперацией энергии. Второе направление – создание двухмодульного преобразователя с звеном постоянного напряжения по типу НВ–АИН (ШИМ) – АД, но с рекуперацией энергии звеном постоянного напряжения в сеть и с релейным (а не ШИМ) регулированием токов в автономном инверторе. Такой преобразователь компануется из двух абсолютно идентичных модулей ПТМ-1 (преобразователь транзисторный моноблочный), функциональное назначение каждого из которых выявляется автоматически программным путем.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2004