г. ЖЕЛЕЗНОГОРСК, РОССИЯ

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

Рис.1ОАО «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.

НКУ КЭР-05Г-ТЦ для экскаватора ЭКГ-5

Рис. 2

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

Рис. 3

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

Рис. 4

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

Рис. 5

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»).

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

6кВ

К Р У

T V 1 T V 2

g=5 g=7 g=5 g=5 g=7 g=54 00кВА 270кВА 400кВА 270к ВА

630А6300А

630кВА6/0.4кВ

630кВА6/0.4кВ

630А6300А

g=5 g=74 00к ВА

1000А7000А

g=5 g=74 00кВА

П1

Подъем

П2

1600А11200А

1600А11200А

1600А3800А

1600А3800А

ВП

Поворот /ход1000А7000А

1000А7000А

Напор 1000А7000А

1000А3800А

1000А3800А

1000А3800А

ВВ

ВХ

В1

Х1

В 2

Х2

Н

ВН

1000А7000А

1000А7000А

1000А7000А

П о д ъ емДПЭ-560560 кВт440В, 1370А,540/1000 об/минIст=2250А

В р а щ е н и еДПВ-350350 кВт440В, 855А,900об/минIст=1170А

Х о дДПЭ-200200 кВт440В, 490А,750об/мин

Н а п о рДПЭ-350350 кВт440В, 855А,900 об/минIст=1840АРис. 6

Рис. 6Структура 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.

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.

Структура системы управления ЭКГ-12К

Кабина ШГП 1,2 ШВП ФКУ1 ФКУ2

БУ1 БУ2

M1H

MC M1P M2PMS1

M2H MDM1H

M2HMS

ПМ1 ПМ 2,3 ПМ4 ПМ5 ПМ6

MS2

БУ3 БУ4

В1 В2 В3 В4

Рис. 7

Рис.7К 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.

Уровни системы управления

MODBUS

БитПроц

I/O Soft

Вход 110

Выход 110

Вых. 380

…

I

II

III

Проц. модули

Модуль сбора данных

MODBUS

БитПроц

I/O Soft

Монитор

Блоки управления

MODBUS

БитПроц

I/O Soft

Драйверы

Дат. U/I

Возбудители

MODBUS

БитПроц

I/O Soft

Драйверы

Дат. U/I

CAN

Рис. 8

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.

Технологическая программа ЭКГ-12К хоз. номер 1

Рис. 9

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.

UdH

IdH

UdC

IdC

UdS

IdS

IвН

IвS

Осциллографирование переменных информационной сети

Рис. 10

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.

Модуль сбора данных

Промышленный компьютер

Вычислительные модули СУ НКУ

Цифровая сеть НКУ

Сенсорный монитор

Источник бесперебойного

питания

Аппаратная организация ИДС

Рис. 11

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.

Главное окно программы

Рис. 12

Рис.12

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

Окно ошибки

Рис. 13

Рис.13

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

Диаграмма якорных напряжений и токов в цикле погрузки

Рис. 14

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»).

6к В

К Р У

T V 1 T V 2

g=5 g=7 g=5 g=5 g=73 0 0 к В А 2 0 0 к В А 3 0 0 к В А

400А4000 А

40 0кВ А6/0 .4кВ

40 0кВ А6/0 .4кВ

g=5 g=73 0 0 к В А

630А6300А

g=5 g=73 0 0 к В А

П о д ъ е м100 0А700 0А

П ов о ро т /н а п о р /х о д

П о дъ емА Д Э -39 5-1 00039 5 кВ т40 0В , 69 0А ,10 00 об /м ин

В р ащ ен иеА Д Э В -2 10-75021 0 кВ т40 0В , 36 0А ,75 0об /м ин

Х о дА Д Э -120 -10 00120 кВ т400 В , 20 0А,100 0об/м ин

Н ап о рА Д Э 21 0-7 50210 кВ т400В , 360 А,750 об /м ин

g=52 0 0 к В А

П 1

1 000А7 000А

П 2

10 00А70 00А

В 2 Х 1

1000А7000А

Н Х 2В 1

630А6300А

630А6300 А

400А4000 А

630 А630 0А

У И КУ И КУ И К У И К

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

Рис. 15

Рис.15Рассмотренное 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.

График суммарной реактивной мощности, потребляемой электроприводами ЭКГ-5 за цикл копания

Рис. 16

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.

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

I1

U2тсн

Iв

0

0

0

0

IФКУ

86А I1 действ ср ц =28,9А

I1 фку =530А

14-18-38А Рис. 17

Рис.17На 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.

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

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 100 200 300 400 500 600 700Iвкл = IdΣ, А

330кВАр 1,1Uл 50% загрузки при копании

=цср

цср

Р

Qarctg

.

.ср.ц. cos ños

Рис. 18

Рис.18Включая 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.

Остановка привода подъема ЭКГ-5 при отключении сети

Uсети

Ud

Id

t t

t

0 0

0

Рис. 19

Рис.19Уже 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»).

Графики составляющих реактивной мощности за цикл экскавации ЭКГ-12К

Q

кВАр

2000

1000

0

QТПΣ QФКУ

Qсети

t

Рис. 20

Рис.20На 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.

Осциллограммы напряжения сети, потребляемого действующего тока, тока ФКУ, тока возбуждения

двигателей подъема в цикле работы ЭКГ-10

U10

0

0

0

I1

Iфку

iвп

6200В 5590В

158А I1.ср= 82,5А

31А 25А15А

1420А1070А 850А 356А

Рис. 21

Рис.21На 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.

Осциллограммы напряжения сети, потребляемого тока, тока ФКУ, тока возбуждения двигателей подъема

в цикле работы ЭКГ-100

U1

I1

iвп

Iфку

0

0

0

170А

Рис. 22

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

Осциллограммы сетевого напряжения и тока, тока возбуждения привода подъёма.

Снято с экскаватора ЭКГ-5А №19

Снято с ЯКНО ЭКГ-5А, SКЗ=12МВА, FU=2,5%

IВH

I1

U1

I1

1000 ms/дел

1000 ms/дел

Рис. 23

Рис.23Исследуем 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.

Спуск ковша (инверторный спуск)1 ms/дел

Кисн=0,032

Кит=0,9885

U1

I1

t

t

Кин=0.99949

Рис. 24

Рис.24Осциллограмма 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.

Копание1 ms/дел

I1

U1

t

t

Кисн=0,049

Кит=0,9947

Кин=0.9988

Рис. 25

Рис.25Осциллограмма 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%.

Осциллограммы сетевых напряжения и тока, тока возбуждения привода подъема ЭКГ-10 №74

Sк.з. = 7МВА, Fu = 1,0…2,8%

U1ac

I1a

IвН

0

0

0

t

опускание подхват копание разворот

Рис. 26

Рис.26Осциллограммы 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.

Осциллограмма сетевого напряжения при отключенном НКУ

U1ac

I1a

IвН

0

0

0

t

Кисн=0,06

Кит=0,9901

Кин=0,9982

Рис. 27

Рис.27Представлена осциллограмма напряжения сети U1ас при включенном

разъединителе на высоковольтной ячейке. Т.е. экскаватор не работает, включен трансформатор собственных нужд, в качестве нагрузки лишь внутреннее освещение экскаватора (I1а). Осциллограф «видит» сеть, в которой работает буровой станок. Из-за какой-то неисправности его оборудования наблюдаются «клевки» сетевого напряжения на землю. На трех осциллограммах общей длительностью в одну минуту таких «поклевок» зарегистрировано около десятка. Как видим, расчетный коэффициент искажения синусоидальности достигает Кисн=6%.

Осциллограммы сетевых напряжения и тока, тока возбуждения привода подъема

Опускание ковша

t

U1ac

I1a

IвН

0

0

0

Кисн=0,0269

Кит=0,9967

Кин=0,9996

Рис. 28

Рис.28Осциллограмма получена из осциллограммы рис.26 и соответствует

малонагруженному состоянию при опускании ковша. В этом режиме включены только глухие ступени ФКУ. Мы наблюдаем практически синусоидальные токи Кит≈0,9967. Напряжение по качеству Кин=0,9996, Кисн=2,69% лучше, чем при работе только бурового станка. «Поклевок» сетевого напряжения при работе экскаватора мы не наблюдали ни разу.

Таким образом, можно утверждать, что ФКУ при подключении даже его минимальной доли – глухих ступеней способствует облагораживанию сети (не смотря на вредное воздействие некомпенсированных и даже неисправных тиристорных электроприводов буровых станков).

Осциллограммы сетевых напряжения и тока, тока возбуждения привода подъема

Копание

U1ac

I1a

IвН

0

0

0

t

Кисн=0,0545

Кит=0,9991

Кин=0,9985

Рис. 29

Рис.29Осциллограмма также получена из осциллограммы рис. 26 и соответствует

самому нагруженному режиму при копании. Естественно, при большой нагрузке ток практически синусоидален Кит=0,9991. Также естественно, что с ростом нагрузки выросли искажения напряжения. Расчетные коэффициенты для напряжения Кин=0,9985, Кисн=0,0545=5,5%. Таким образом, искажение синусоидальности незначительно превышает нормально допустимую границу, но еще очень далеко от предельно-допустимых значений. В то же время заметим, что значения по счетчику СЭТ4ТМ (соответствующие измерению по ГОСТ 13109-90)практически вдвое меньше Fu=2,8%. И наконец, самое важное, что если бы экскаватор с ТП-Д эксплуатировался в сети, соответствующей техническому заданию на проектирование его приводов с Sк.з.=25 МВА, то искажения напряжения оказались бы почти вчетверо меньшими.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30 19:30

Р,

кВт

Активная мощность ЭКГ-10 №74 (ТП-Д). Погрузка в железнодорожный транспорт.

Рис. 30

Рис.30Исследуем изменения коэффициента сдвига.Коэффициент сдвига (или в просторечии cosφ) характеризует собой степень

сдвига между напряжением и током и представляет основную составляющую коэффициента мощности:

Км=Кит*Кин*cosφ, -основной количественной характеристики качества потребляемой

электроэнергии.Из отзыва главного энергетика ОАО «Доломит» от 18.02.11г. о работе

экскаватора ЭКГ-5 №19 с НКУ по системе ТП-Д (это второй наш экскаватор с системой ТП-Д): «Проведенные в сентябре электротехническим персоналом замеры по потреблению активной мощности на тонну продукции показали, что для экскаватора с системой Г-Д этот показатель составляет 0,403 кВт*ч/т, а для экскаватора с системой ТП-Д с ФКУ 0,21 кВт*ч/т. Т.е. в 1,92 раза меньше (этот результат полностью совпал с результатом на Стойленском ГОКе – 1,9 раза, хотя абсолютные значения из-за другой плотности горной массы другие, – письмо главного энергетика от 25.11.08г.). Среднее значение коэффициента мощности экскаватора с системой Г-Д - 0,6 (абсолютное совпадение с замерами на Михайловском ГОКе – 0,59, протокол №20 от 12.04.10г.), а с системой ТП-Д - 0,95».

Таким образом, с учетом всех составляющих коэффициента мощности для экскаватора ЭКГ-5 с системой ТП-Д и одноступенчатым ФКУ может быть получен коэффициент мощности не хуже:

Км≥Кит*Кин*cosφ=0,99*0,999*0,95≈0,94

Посмотрим, как обстоит дело с более крупными экскаваторами, имеющими многоступенчатое подключаемое ФКУ.

На ГОКах (в частности, Михайловском) контроль за количеством и качеством потребляемой объектом электроэнергии осуществляется с помощью поминутной регистрации активной и реактивной мощностей (преобразователь Е849-М1, регистратор MULTI LOG). Причем, регистрируется реактивная мощность только индуктивного характера, вместо емкостной - записывается ноль. Одновременно в диспетчерской рудоуправления регистрируется время, объем и вес отгруженной горной массы.

На рис.30 представлен поминутный график потребления активной мощности экскаватором ЭКГ-10 с системой ТП-Д во время отгрузки горной массы в ж.д. транспорт. Первый ж.д. состав («вертушка») загружен за 40 минут, средняя мощность, развиваемая экскаватором, 244 кВт; второй – за 40 минут, средняя мощность 259 кВт; третий – 38 минут, средняя мощность 250кВт; четвертый – за 35 минут (чистое время без учета перерыва), средняя мощность 264 кВт. Объем погрузки в каждую «вертушку» составил по 322 м3, а масса 1140т. (протокол № 106 от 07.09.11г.). Подробный расчет по цифровым таблицам этих отгрузок показал что удельный расход электроэнергии на тонну отгружаемой массы при погрузке в ж.д. транспорт экскаватором ЭКГ-10 с системой ТП-Д составил Руд.ср=0,142 кВт*ч/т.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30 19:30

Q, к

ВА

рРеактивная мощность ЭКГ-10 №74 (ТП-Д). Погрузка в железнодорожный транспорт.

Рис. 31

Рис.31На рисунке представлен график реактивной мощности, потребляемой

экскаватором ЭКГ-10 с ТП-Д при тех же отгрузках. Для первого ж.д. состава среднее потребление реактивной мощности составило 11,6 кВАр, для второго – 7,05 кВАр, для третьего – 10,89 кВАр, для четвертого - 16,1 кВар.

Средневзвешенное значение коэффициента сдвига по всем отгрузкам составило

Cosφ=cos arctg ΣQi/ΣPi=0,999

Активная мощность ЭКГ-10 №78 (Г-Д).Погрузка в железнодорожный транспорт.

0

100

200

300

400

500

60011

:30

12:3

0

13:3

0

14:3

0

15:3

0

Р,

кВт

Рис. 32

Рис.32Для сравнения представлен график потребления активной мощности при тех

же условиях погрузки в ж.д. транспорт, осуществляемой экскаватором ЭКГ-10 с системой Г-Д.

Первые три пика – это подготовка забоя. Далее на графике хорошо просматриваются три интервала погрузки в ж.д. транспорт. Среднее время погрузки 50минут, а средняя мощность экскаватора при загрузке 350 кВт. Масса отгрузок та же - по 1140 кВт. (протокол №75 от 21.03.11г.). Детальный расчет по таблицам показал, что удельный расход активной энергии на тонну продукции для экскаватора ЭКГ-10 с системой Г-Д составил Руд.ср=0,23 кВт*ч/т, что в 1,62 раза больше , чем для экскаватора с системой ТП-Д.

Время загрузки каждой «вертушки» для экскаватора с системой ТП-Д оказалось в 50/37,5=1,33 раза меньше. Это свидетельствует о большей полезной мощности и производительности, развиваемой экскаватором с системой ТП-Д.

К сожалению, специфика измерительных приборов не позволила сравнить экскаваторы по cosφ. Дело в том, что синхронный двигатель агрегата экскаватора с системой Г-Д был перевозбужден и генерировал в сеть реактивную мощность емкостного характера, которая не регистрировалась упомянутыми приборами.

Сравнение графиков на рис.30 и 32 позволяет увидеть очень интересные особенности различных систем, важные для эксплуатации. Во-первых, экскаватор с системой ТП-Д можно в перерывах между погрузками безболезненно отключать от сети, уменьшая энергопотребление. Повторное включение не имеет проблем запуска агрегата, которые есть в Г-Д. Во-вторых, - на протяжении всего графика видно, что активная мощность, потребляемая в каждый момент времени системой Г-Д, на 100кВт больше, чем в системе ТП-Д. Это чистые потери из-за работы агрегата и их хорошо видно в моменты пауз между отгрузками. В конечном итоге эти постоянно присутствующие 100 кВт потерь бесполезно увеличивают энергопотребление в этой системе.

Погрузка экскаватором ЭКГ-10 с системой ТП-Д в автомобильный транспорт показала, что удельное энергопотребление на тонну горной массы по сравнению с погрузкой в ж.д. транспорт не изменилось. Руд.ср=0,14 кВт*ч/т (протокол №86 от 26.04.11г.)

Коэффициент мощности по первой гармонике также остался практически без изменения. Cosφср.=0,997.

Активная мощность ЭКГ-12К №1 (ТП-Д). Погрузка в автотранспорт.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30

Р,

кВт

Рис. 33

Рис.33На рисунке представлен график потребления активной мощности экскаватором

ЭКГ-12К при загрузке в автомобильный транспорт. Для каждого автомобиля велся учет времени от зачерпывания первого ковша до конца погрузки, регистрировался тоннаж и поминутные значении активной мощности. Среднее значение активной мощности, потребляемой экскаватором на интервалах погрузки (их 25), составило Pср=296 кВт, время чистой погрузки 72 минуты, масса 3160 тонн (протокол №77 от 13.04.11г.).

Точный расчет по таблицам показал, что средний удельный расход электроэнергии на тонну для экскаватора ЭКГ-12К составил Руд.ср=0,11 кВт*ч/т, что в 2,1 раза меньше , чем на ЭКГ-10 с Г-Д и в 1,27 раза меньше, чем на ЭКГ-10 с ТП-Д. По-видимому увеличение ковша в 1,2 раза при прочих равных условиях (т.е. даже привода идентичны) дает эффект уменьшения энергопотребления на четверть.

Реактивная мощность ЭКГ-12К №1 (ТП-Д). Погрузка в автотранспорт

0

50

100

150

200

250

10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30

Q,

кВА

р

Рис. 34

Рис.34На рисунке представлен график потребляемой реактивной мощности

экскаватора ЭКГ-12К при погрузке в автомобильный транспорт (см. совместно с рис.33). Среднее значение реактивной мощности, потребляемое за время интервалов погрузки (25 интервалов), составляет Qср=18кВАр.

Коэффициент мощности по первой гармонике практически тот же, что и в ЭКГ-10:

Cosφ=cos arctg Qср/Pср= cos arctg 18/296=0,998.Таким образом, для крупных экскаваторов с многоступенчатым ФКУ (ЭКГ-10,12

и др.) может быть получен коэффициент мощности с учетом всех составляющих не хуже.

Км≥Кит*Кин*cosφ=0,99*0,999*0,998=0,987≈0,99.Очевидно, что качество потребления электроэнергии крупными экскаваторами

с многоступенчатым ФКУ значительно лучше, чем у экскаватора ЭКГ-5. Этому способствует сама структура двухтрансформаторного построения. Именно поэтому эти экскаваторы способны работать в значительно более слабых (относительно установленной мощности) карьерных сетях без ущерба для смежных с ними машин. Для них не требуется создания индивидуальных сетей, как для экскаваторов фирмы «Харнишфегер» с системой ASEA, которые из-за своей структуры энергосистемы уступают по качеству энергопотребления даже экскаватору ЭКГ-5.

На сегодняшний день мы пока не имеем данных по карьерным машинам с объемом ковша более 12м3 и драглайнам. Однако по машинам с объемом ковша 5-12 м3 можем утверждать, что переход от системы Г-Д к системе ТП-Д позволяет снизить удельное потребление активной энергии на тонну (или м3) горной массы в 1,5…2 раза и обеспечить коэффициент мощности не хуже 0,95…0,99.

Достигнутые для системы ТП-Д результаты могут быть отнесены и к приводам переменного тока, выполненным по системе управляемый выпрямитель-автономный инвертор тока-асинхронный двигатель (УВ-АИТ-АД), т.к. наполовину, со стороны сети, это та же система ТП-Д.

А.Я. Микитченко