Современный автоматизированный электропривод представляет собой сложную электромеханическую систему, предназначенную для приведения в движение рабочего органа машины и управления её технологическим процессом. Он состоит из трёх частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины, и системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом [1]. Диапазон изменения номинальных частот вращения электропривода имеет весьма широкие пределы. Использование средств дискретной техники в системах управления приводами постоянно тока расширяет диапазон регулирования скорости до 1000–1500:1 и выше [2].
Области применения. В технологии горного производства используется ряд горных машин, главные рабочие механизмы которых оснащены регулируемым электроприводом. Они выполняют основные функции – разрушение и перемещение горной породы, транспортировка горной массы, перемещения жидкой и воздушной среды. К ним относятся добычные [3] и буровые машины, конвейерные [4] и подъемные установки [5–6], насосные и вентиляторные установки [7–8]. Оснащение комбайнов и стругов регулируемым электроприводом обусловлено определенными трудностями в связи с тем, что электрооборудование при этом должно быть выполнено в большинстве случаев во взрывобезопасном исполнении [9].
В каждом конкретном случае требуется технико-экономическое обоснование по использованию регулируемого электропривода, так как средства регулирования, в том числе и преобразовательная техника, имеют высокие стоимостные показатели [10–11]. Требования к характеристикам надежности, безопасности, экономичности, к статическим и динамическим характеристикам электроприводов машин и установок горного производства зависят от специфики технологического процесса, особенностей конструкции, способа управления машинами и механизмами, условий электроснабжения и эксплуатации. Этим требованиям должны отвечать электроприводы как переменного, так и постоянного тока, выполненные на базе современной силовой преобразовательной техники [12–13]. Их можно сформулировать следующими основными пунктами:
– электрическое оборудование машин и установок горного производства должно быть надежным, безопасным и экономичным в эксплуатации [14–16];
– электропривод должен обладать высокими перегрузочными способностями и возможностью большого диапазона регулирования скорости;
– электропривод должен обеспечивать минимальное время переходных процессов для механизмов с интенсивным повторно-кратковременным режимом работы при соответствующих ограничениях на момент, ускорение и рывок;
– электропривод должен иметь высокую жесткость механической характеристики;
– электропривод должен сохранять работоспособность при глубоких просадках напряжения, характерных для карьерных и шахтных электрических сетей [17].
Описание систем электропривода. Для электропривода переменного тока одной из наиболее экономичных и относительно простых систем является схема асинхронного вентильного каскада (АВК). Принципиальная электрическая схема электропривода с АВК приведена на рис. 1.
Электропривод при такой системе содержит в роторной цепи асинхронного двигателя с фазным ротором неуправляемый выпрямитель на диодах, собранный по мостовой трехфазной схеме. В выпрямленную роторную цепь постоянного тока включается ведомый сетью инвертор на тиристорах, собранный по мостовой трехфазной схеме. Ведомый сетью инвертор позволяет генерировать энергию скольжения в сеть, из-за чего электропривод по схеме АВК является высокоэкономичным. Для согласования ЭДС инвертора с напряжением питающей сети используется согласующий трансформатор. Суммарный КПД трансформатора и инвертора составляет 0,95–0,96, постоянная времени инвертора около 0,01 секунды.
Рис. 1. Принципиальная схема электропривода с асинхронным вентильным каскадом
Наряду с электроприводом по схеме АВК для машин и установок малой и средней производительности получил применение асинхронный [18], а для машин большой производительности – синхронный частотно-регулируемый электропривод. Развитие полупроводниковой техники и микроэлектроники позволило электротехнической промышленности создать преобразователи частоты для асинхронных и синхронных электроприводов (система ПЧ-Д) с качеством регулирования, не уступающим электроприводам постоянного тока [19].
Различают два вида преобразователей частоты со звеном постоянного тока: с автономным инвертором напряжения (ПЧ-Д с АИН) и автономным инвертором тока (ПЧ-Д с АИТ) [20]. Преобразователи частоты с автономным инвертором напряжения (рис. 2) содержат неуправляемый выпрямитель и инвертор.
Транзисторный вариант позволяет формировать синусоидальное напряжение переменной частоты на обмотках статора асинхронного двигателя за счет широтно-импульсной модуляции. Основные достоинства ПЧ-Д с АИН: практически синусоидальный ток нагрузки; широкий диапазон выходных частот от 0 до 1000 Гц; возможность подключения к одному преобразователю частоты несколько электродвигателей. Недостаток – невозможность получения генераторного режима с отдачей энергии в сеть из-за наличия неуправляемого выпрямителя, который имеет одностороннюю проводимость.
Рис. 2. Принципиальная схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения
Преобразователи частоты с автономным инвертором тока (рис. 3) содержат управляемый выпрямитель и инвертор, выполненный на запираемых тиристорах типа GTO, за счет чего добиваются высокого коэффициента мощности [21]. Основными достоинствами ПЧ-Д с АИТ являются: возможность рекуперации энергии в сеть; близкое к синусоидальному выходное напряжение; безаварийность режима КЗ по выходу. К недостаткам следует отнести: ограниченность верхнего диапазона регулирования выходной частоты (обычно fmax вых = 70 Гц); коммутационные перенапряжения на тиристорах АИТ, которые возрастают с увеличением частоты. Суммарный КПД выпрямителя и автономного инвертора составляет 0,96–0,97, постоянная времени около 0,005 секунд.
Меньшее распространение в электроприводах машин и установок горного производства получила система с непосредственным преобразователем частоты (НПЧ). Трехфазная система электропривода с НПЧ содержит три реверсивных тиристорных преобразователя постоянного тока, управление которыми осуществляется модулирующим напряжением. Частота и амплитуда этого напряжения определяют частоту и напряжение на выходе НПЧ. С помощью реверсивного тиристорного преобразователя формируются положительный и отрицательный полупериоды выходного напряжения. На рис. 4 показана схема простейшего НПЧ, в котором тиристорные преобразователи постоянного напряжения в каждой фазе (+А, –А; +В, –В; +С, –С) выполнены по трехфазной нулевой схеме.
Рис. 3. Принципиальная схема электропривода на базе синхронного двигателя с автономным инвертором тока
Рис. 4. Принципиальная схема электропривода с непосредственным преобразователем частоты
Основные достоинства НПЧ: естественная коммутация тока сетевым переменным напряжением, благодаря чему используются простые однооперационные тиристоры; полная реверсивность схемы; минимальное количество вентилей, одновременно включенных между сетью и двигателем. Основной недостаток НПЧ: ухудшение формы выходного напряжения при увеличении частоты. Максимальную выходную частоту ограничивают обычно частотой 12,5 Гц. Переход от нулевой трехфазной схемы к мостовой шести- или двенадцатипульсной расширяет рабочий диапазон выходных частот до 25 Гц. Так как НПЧ по схемному решению соответствует системе УВ-Д, то энергетические показатели и постоянная времени такие же, как у тиристорного преобразователя.
Наряду с традиционным частотным управлением, когда электродвигатель получает питание от инвертора с независимым заданием частоты, для машин и установок горного производства начали применять, пока в единичном случае, систему управления электроприводом, зависимую от угла поворота ротора, когда частота выходного напряжения или тока автономного инвертора задается с помощью датчика угла положения ротора. В качестве приводного двигателя при этом применяется синхронный электродвигатель. По принципу действия такая система аналогична электродвигателю постоянного тока, у которого функции механического коллектора и щеточного аппарата выполняют электронный коммутатор в виде автономного инвертора и датчик положения ротора в пространстве. Синхронный двигатель с автономным инвертором представляет собой обращенный двигатель постоянного тока, в котором неподвижный статор является якорем, а вращающийся ротор – источником магнитного поля. Двигатель по данной схеме включения называется вентильным двигателем (ВД).
Существующие системы электропривода на базе вентильных двигателей подразделяют на мощные и маломощные. Мощные системы электропривода на базе вентильных двигателей являются высоковольтными, поэтому они присущи рудничным подъемным установкам, мельницам, мощным турбомашинам и по схемным решениям отличаются от маломощных систем. Электроприводы на базе вентильных двигателей обычно используют с применением автономных инверторов тока.
Электропривод на базе вентильного двигателя является достаточно сложным, крупногабаритным и не самым дешевым при малых мощностях. Использование этого вида привода в высоковольтных (6–10 кВ) установках сравнительно большой мощности (800–3500 кВт) позволяет снизить удельную стоимость. По сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока регулируемый электропривод по схеме ВД обладает лучшими динамическими и статическими свойствами. При этом могут быть использованы простые структуры управления электропривода постоянного тока, обеспечивающие высокие регулировочные свойства и динамические показатели [22].
Заключение. Рассмотренные в работе системы электроприводов широко применяются в горной промышленности. Одни системы являются наиболее простыми и экономичными, другие более сложными, но наиболее действенными. По мнению авторов, из рассмотренных систем, наиболее оптимальной для использования, является система электропривода с преобразователем частоты с автономным инвертором тока. Одним из основных достоинств данной системы является её универсальность, поскольку возможно её применение как с асинхронными электродвигателями с фазным, так и с короткозамкнутым ротором. Так же следует отметить, что при применении системы ПЧ с АИТ достигается очень высокое значение коэффициента активной мощности, что является не маловажным показателем в современной энергетике. Конечно, нельзя упускать перспективность более широкого распространения вентильных двигателей, но это станет возможно с уменьшением стоимости при использовании их на малых мощностях.