Стремление обеспечить высокую энергоэффективность промышленных установок и технологических комплексов, а также необходимость обеспечения требуемых параметров технологических процессов явились катализатором развития и широкого применения систем регулируемого электропривода, среди которых наиболее широкое распространение получил частотно-регулируемый электропривод. Основой частотно-регулируемого электропривода являются полупроводниковые преобразователи частоты, бурное развитие которых началось в 80-е годы и связано с осознанием необходимости упрощения и повышения эффективности процесса регулируемого преобразования электрической энергии в механическую за счет построения системы электропривода на основе асинхронного двигателя. Асинхронные двигатели отличаются высокой надежностью, относительно невысокой стоимостью, хорошими эксплуатационными качествами, но устройства, обеспечивающие регулирование скорости вращения асинхронного двигателя до начала 80-х годов стоили дорого и не обладали необходимыми для широкого внедрения в индустрию показателями.
Значительное увеличение инвестиций промышленную электронику привело к разработке принципиально новых, мощных полупроводниковых элементов, таких как IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – биполярный транзистор с изолированным затвором), GST (Gate Commutated Thyristor – запираемый тиристор), что в свою очередь стало основой развития промышленных преобразователей частоты и обусловило быстрый рост рынка преобразователей частоты.
Если первые преобразователи частоты рассматривались как чисто электротехнические устройства с определенным, стандартным набором функций по защите и управлению, то современные преобразователи частоты это высокотехнологичные устройства, функциональные возможности которой определяются программно-конфигурируемой системой управления и защиты. При этом сегодня на рынке представлено множество преобразователей частоты отечественного и зарубежного производства, которые отличаются функциональными возможностями. Эти отличия наряду с типом исполнения и качеством элементной базы обусловливают разницу стоимости между преобразователями, представленными на рынке. Поэтому при внедрении частотно-регулируемого электропривода уже на этапе выбора преобразователя частоты все усилия по повышению энергоэффективности или эффективности технологического процесса могут быть перечеркнуты из-за чрезмерных капитальных вложений или функционального несоответствия.
При выборе и внедрении системы электропривода следует учитывать ряд факторов, которые влияют на технико-экономические показатели обоснованности использования той или иной системы электропривода.
Так, например, на этапе пуско-наладочных работ параметры системы управления преобразователя частоты должны настраиваться таким образом, чтобы с одной стороны максимально обеспечить с заданными параметрами все режимы работы приводимой технологической установки, а с другой – надежную защиту узлов и элементов системы электропривода для предотвращения дорогостоящего и длительного ремонта. При этом на практике некоторые режимы работы технологических установок могут провоцировать выход из строя компонентов системы электропривода.
Также следует учитывать эксплуатационные особенности, так как большинство аварийных остановов и выходов из строя (до 30 %) силовой преобразовательной техники происходит из-за несоответствия условий эксплуатации рекомендуемым разработчиком. К сожалению, на многих промышленных объектах горнодобывающей отрасли существует проблема обеспечения соответствующих условий эксплуатации. Так, например, в помещения, где установлена преобразовательная техника, может попадать пыль и влага, содержащая токопроводящие химические элементы или в помещениях может не соблюдаться температурный режим, последнее приводит к постоянным остановам из-за срабатывания защиты от перегрева, а постоянный перегрев полупроводниковых элементов ускоряет процесс теплового пробоя полупроводников.
Отдельно стоит отметить проблемы превентивной диагностики и ремонта, так как на сегодняшний день при эксплуатации силовой преобразовательной техники на горных предприятиях сложилась практика обслуживания по текущему состоянию. Планово-предупредительные ремонты сводятся в основном к удалению грязи с узлов и элементов преобразователей. Превентивная диагностика и ремонт проводится только в отношении вспомогательных узлов и элементов, таких как вентиляторы охлаждения, фильтрующие элементы и др. Между тем, обслуживание по текущему состоянию допустимо для оборудования, работа которого не влияет на системы жизнеобеспечения персонала или простой которого не приводит к значительному недовыпуску продукции.
Значительный вклад в исследование вышеприведенных проблем внесен такими отечественными научными деятелями как Байков А.И., Грудинин В.С., Сбоев В.М., Лалетин В.И., Костюк В.А., Шагаров Д.А., Огудова Л.Н., Губанова Н.Б., Ушков А.С., Колганов А.Р., Храмшин В.Р., Шурыгин Ю.А., Аржанов В.В., Дмитриев В.М., Зайченко Т.Н. и др. В их работах [1–7] освещены принципиальные вопросы выбора, внедрения и эксплуатации частотных преобразователей. Однако на сегодняшний день существует необходимость более детального изучения особенностей применения преобразователей частоты в конкретных условиях.
Цель и задачи научной работы. Цель работы – повышение эффективности применения частотно-регулируемого электропривода на промышленных объектах АК «АЛРОСА» (ПАО) за счет разработки и внедрения рекомендаций и методик по выбору, превентивной диагностике и ремонту преобразователей частоты в условиях горнодобывающих предприятий.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:
1. Анализ научно-технической литературы, нормативно-технической, проектной и технической документации по применяемым на промышленном предприятии высоковольтным преобразователям частоты.
2. Анализ особенностей промышленных установок, а также эксплуатационной специфики применения преобразователей частоты в условиях того или иного промышленного объекта.
3. Разработка методической рекомендаций по выбору преобразователей частоты для технологических установок промышленных объектов.
4. Разработка методических рекомендаций по сбору, обработке и анализу статистических данных для превентивной диагностики преобразователей частоты технологических установок промышленных объектов предприятия.
5. Сбор, обработка, анализ и обобщение экспериментальных данных по преобразователям частоты технологических установок промышленных объектов.
6. Разработка методических рекомендаций по превентивной диагностике высоковольтных преобразователей технологических установок промышленных объектов того или иного промышленного предприятия.
Результаты исследования. При реализации работы будут использованы теоретические исследования фундаментальных основ и принципов процесса преобразования частоты, напряжения и тока электрической энергии переменного тока. Будут проводиться экспериментальные исследования с помощью современной приборной базы (тепловизоры, микроомметры, осциллографы и соответствующие программно-технические комплексы преобразователей частоты) режимов работы горно-технологического оборудования с частотно-регулируемым электроприводом на объектах горнодобывающих предприятий [8–12]. Инновационную составляющую обеспечит математическое моделирование режимов работы горно-технологического оборудования с частотно-регулируемым электроприводом в пакете программ MatLab, хорошо зарекомендовавшем себя в научных, инженерных и проектных расчетах [13–19]. Подтверждение достоверности данных обеспечит инструментальный контроль показателей качества электроэнергии современными анализаторами типа Circutor AR6, Qualistar и Ресурс UF2M с целью определения фактического влияния работы высоковольтных преобразователей частоты на качество электроэнергии [20–30].
Основным результатом научной работы станет, как отмечалось ранее, разработка методических рекомендаций по превентивной диагностике высоковольтной частотно-регулируемой преобразовательной техники установок промышленных предприятия. Для реализации этих мероприятий был разработан план работ и обоснован состав научно-технического коллектива исполнителей работ. План работ содержит наименование и ориентировочные сроки проведения работ и рассчитан на 3 года.
Состав научного коллектива исполнителей должен охватывать много отраслей знаний и иметь различные возрастные категории. Компетенции, которыми должны обладать члены коллектива, должны позволить реализовать проект в указанные сроки.
Также для полноценной и своевременной реализации проекта необходимо обеспечить наличие современной материально-технической базы. Поможет в этом наличие специализированных учебно-научных лабораторий по промышленной автоматизации и частотному электроприводу и электромагнитной совместимости и качеству электрической энергии, а также их современное техническое оснащение анализаторами качества электрической энергии, измерителями показателей качества электрической энергии, тепловизором, цифровыми осциллографами, пирометрами, контактными термометрами и пр.
Выводы и заключения. В заключении стоит отметить, что реализация такого проекта позволит поэтапно повысить эффективность применения высоковольтных преобразователей на объектах промышленных предприятий. Так, первый этап проекта, нацеленный на разработку методических рекомендаций, которые позволяют сократить случаи необоснованного и некорректного выбора дорогостоящего оборудования – высоковольтных преобразователей частоты, позволит сэкономить предприятию десятки миллионов рублей уже в первый год реализации проекта.