Объектом исследований является электропривод подъемных установок – основного транспортного средства, обеспечивающего жизнедеятельность шахт и рудников. Комплексное решение проблемы развития электропривода шахтных подъемных машин в направлении повышения их эффективности работы является актуальным [1-2]. Электроприводы с преобразователями частоты позволяют значительно повысить сроки службы элементов механического оборудования и уменьшить простои, связанные с их выходом из строя благодаря плавному выбору люфтов, зазоров и «преднатяжению» элементов передачи с программируемым темпом в процессе запуска («линейная заводка» или S- характеристика), а также программной стабилизации пускового момента. Эти особенности обуславливают преимущества использования ЧРЭП в электроприводах в механизмах с тяжелыми условиями эксплуатации [3-4].

Вскрытие и отработка месторождения осуществляется в сложных горно-геологических условиях. Рудник «Интернациональный» АК «АЛРОСА» (ПАО) отнесен к опасным по выделению горючих газов и нефтепроявлениям, поэтому все горные работы должны выполняться в соответствии с требованиями федеральных норм и правил в области промышленной безопасности.

В настоящее время отработаны запасы I очереди месторождения (отм. -200 ... -560 м). Для вскрытия запасов II очереди отработки месторождения (отм. -560 ... -790 м) дополнительно предусматривается строительство слепого скипового ствола с внутришахтной подъемной установкой расположенной на отм. -560.

Основным и самым сложным элементом скиповой ШПУ является подъемная машина, которая находится в машинном отделении и с помощью подъемного каната производит подъем скипа по стволу шахты на поверхность, где руда разгружается в бункер обогатительной фабрики. Подъемный канат проходит через шкив, находящийся на копре. Под землей скип загружается с вагоноопрокидывателя через мерный ящик.

На крупных современных шахтах всегда имеется две-три действующие подъемные установки, при этом каждая из них выполняет свои особые функции (выдачу руды, спуск-подъем людей, выдачу породы и т.д.), а не являются резервом другой. Это придает большое значение подъемным установкам во всем комплексе электромеханического оборудования шахт и предъявляет к ним особые требования в отношении надежности и безопасности работы. От надежной, бесперебойной и производительной работы шахтного подъема зависит ритмичная работа всей шахты в целом.

Электропривод подъемных установок потребляет до 40% (иногда до 50%) всей электроэнергии, расходуемой шахтой [5-6]. Подъемные машины устанавливаются на весь срок эксплуатации шахты.

Работа подъёмной установки характеризуется цикличностью, т. е. рядом сменяющихся циклов, следующих друг за другом. В свою очередь каждый цикл можно разбить на четыре основных периода: разгон, равномерное движение, замедление до полной остановки и пауза. Чтобы обеспечить требуемую производительность рудничного подъёма, каждый цикл должен укладываться в определенное, наперёд заданное время. Для этого необходимо выдерживать расчётные значения ускорения и замедления, максимальной скорости и паузы, т.е. выдерживать заданную диаграмму скорости. Диаграмма скорости подъёма (тахограмма) – это зависимость скорости движения подъёмных сосудов от времени.

В зависимости от назначения, вида и грузоподъёмности подъёмных сосудов, числа горизонтов и расстояния между ними диаграммы скорости могут быть трёх-, пяти-, шести- и семипериодными. Наиболее простые трёхпериодные диаграммы целесообразно применять для клетевых подъёмных установок с одноэтажными неопрокидными клетями при качающихся приёмных площадках. Наиболее сложные шести- и семипериодные диаграммы скорости необходимы при грузовом подъёме с опрокидными скипами. Это объясняется необходимостью ограничения скорости движения подъёмных сосудов в разгрузочных кривых.

Традиционный электропривод переменного тока шахтной подъемной машины (ШПМ) содержит высоковольтные асинхронные электродвигатели с фазным ротором, высоковольтные статорные реверсоры, роторные пусковые резисторно-контакторные станции управления (ПРКС) и станции динамического торможения (СДТ) [7-9]. Однолинейная структурная схема традиционного электропривода переменного тока ШПМ показана на рисунке 1.

Рис. 1. Однолинейная структурная схема традиционного электропривода переменного тока ШПМ

Упомянутый привод имеет существенные недостатки, которые заключаются в следующем:

- использование коммутационной аппаратуры для пуска и регулирования скорости ограничивает по мощности применение асинхронного привода;

- асинхронный электропривод с роторной резисторно-контакторной станцией управления и динамическим торможением не обладает регулировочными качествами, необходимыми для ШПМ, не обеспечивает высокую точность управления и не позволяет автоматизировать управление ШПМ, что приводит к снижению производительности;

- при разгоне, торможении и работе ШПМ на пониженной скорости расходуется значительная электроэнергия, идущая на нагрев роторных сопротивлений ПРКС, нагрев электродвигателя и износ механических тормозов. Непроизводительно расходуемая электроэнергия повышает себестоимость продукции и снижает прибыль;

- асинхронный электропривод с пусковой резисторно-контакторной станцией потребляет из сети значительную реактивную мощность, которую необходимо оплачивать, либо компенсировать достаточно дорогими компенсаторами реактивной мощности.

Замена пусковой роторной резисторно-контакторной станции управления и станции динамического торможения на рекуперативный частотно-регулируемый электропривод ЧРЭП позволяет устранить все перечисленные выше недостатки электропривода переменного тока с асинхронными электродвигателями с фазным ротором [10-11].

Рис. 2. Однолинейная структурная схема электропривода с ЧРЭП

Преобразователи частоты устанавливаются между цепью ротора асинхронного электродвигателя и питающей сетью, как показано на рисунке 2. Силовая схема преобразователя содержит два трехфазных транзисторных инвертора напряжения: роторный инвертор и сетевой инвертор. Цепи постоянного тока роторного и сетевого инверторов соединены и подключены к общему накопительному конденсатору. Цепь переменного тока роторного инвертора соединена с цепью ротора электродвигателя, а сетевого инвертора – с питающей сетью (непосредственно или через согласующий трансформатор) [12].

Такая структура обеспечивает:

- выбор зазоров в механических передачах и плавное натяжение канатов в паузах между пусками ШПМ;

- формирование с высокой точностью требуемой многопериодной диаграммы скорости подъемной машины независимо от изменения нагрузки;

- плавный разгон сосудов ШПМ за заданное время без потерь мощности в цепи ротора электродвигателя;

- стабилизацию скорости сосудов ШПМ в периоды равномерного движения с точностью не хуже 1% независимо от степени уравновешенности и характера изменения концевых усилий;

- выравнивание нагрузки электродвигателей на всех интервалах движения сосудов ШПМ;

- рекуперативное торможение с возвратом энергии движущихся масс в питающую сеть;

- замедление сосудов ШПМ за заданное время с формированием требуемого усилия любого знака;

- рекуперативное торможение электродвигателей с возвратом энергии движущихся масс в питающую сеть в периоды замедления сосудов ШПМ при формировании отрицательных тормозных усилий;

- малое время замедления и высокую точность остановки ШПМ без применения механического тормоза, который включается только после полной остановки ШПМ;

- работу ШПМ на пониженных скоростях в режимах маневрирования, дотягивания, постановки на кулаки, движения в разгрузочных кривых, осмотра ствола шахты без непроизводительных потерь электроэнергии в роторной управляющей станции;

- компенсацию реактивной мощности, потребляемой асинхронными электродвигателями ШПМ, без применения дополнительных компенсаторов реактивной мощности.

За счет перечисленных выше достоинств ЧРЭП обеспечивает снижение потребления электроэнергии ШПМ более чем на 30% по сравнению с традиционным электроприводом на базе пусковой резисторно-контакторной станции и позволяет повысить производительность ШПМ за счет сокращения интервалов движения сосудов ШПМ с малой скоростью и формирования требуемой диаграммы скорости с высокой точностью. За счет обеспечения высокой точности управления с плавным замедлением и точной остановкой сосудов ШПМ частотно-регулируемый электропривод исключает проскакивания и удары скипа по разгрузочным кривым, что продлевает срок службы механизмов и снижает эксплуатационные затраты. К одному существенному недостатку при использовании частотно-регулируемого электропривода можно отнести искажение линейности напряжения питающей сети, ухудшение показателей качества электроэнергии, появление неблагоприятных гармонических составляющих [13-18]. Все эти негативные влияния можно устранить путём внедрения активных фильтрокомпенсирующих устройств [19], затраты на установку которых не превысят благоприятного экономического эффекта от внедрения ЧРЭП.