Силовые полупроводниковые и электрогидродинамические компоненты рудничных автоматизированных электроприводов


К. Н. Маренич, Е. С. Дубинка




СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ РУДНИЧНЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ





Рекомендовано учёным советом Донецкого национального технического университета в качестве учебного пособия, для студентов высших учебных заведений


Издание приурочено к 100-летию
Донецкого национального технического университета










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.232:621.3
ББК 34.7+31.26

М25

                   Рекомендовано учёным советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» (г. Донецк) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, протокол № 8 от 08.11.2021 г.


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, ректор Донецкого института железнодорожного транспорта (г. Донецк) М. Н. Чепцов;
доктор технических наук, директор ГУ «Донгипрошахт»
(г. Донецк) С. Е. Гулько;
доктор технических наук, профессор, заведующий отделом Республиканского академического научно-исследовательского и проектно-конструкторского института горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ, г. Донецк) Н. Н. Грищенков

    Маренич, К. Н.
М25 Силовые полупроводниковые и электрогидродинамические компоненты рудничных автоматизированных электроприводов : учебное пособие / К. Н. Маренич, Е. С. Дубинка. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 172 с. : ил., табл.
        ISBN978-5-9729-1095-3
     Рассмотрены вопросы адаптации асинхронных частотно-управляемых электроприводов к условиям эксплуатации в структуре мехатронных комплексов горных машин, а также шахтных аккумуляторных, контактных и контактноаккумуляторных электровозов. Представлены способы подавления искажений синусоидальности напряжения в шахтной участковой электросети, вызванных работой частотно-управляемых электроприводов горных машин. Раскрыта методология расчёта параметров типовых схем регулируемых рудничных электроприводов переменного и постоянного тока. Рассмотрены особенности построения и эксплуатации электрогидродинамических установок и линейных двигателей в структуре рудничных электроприводов.
     Для студентов, изучающих горную электротехнику. Может быть полезно инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами электроснабжения горных предприятий.


                                                           УДК 622.232:621.3
                                                           ББК 34.7+31.26



ISBN 978-5-9729-1095-3

    © Маренич К. Н., Дубинка Е. С., 2022
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

СОДЕРЖАНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ...............................6


РАЗДЕЛ 1
АДАПТАЦИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
К ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
1.1 Силовой полупроводниковый преобразователь частоты как компонент мехатронной системы горной машины.
   Проблемные вопросы эксплуатации и способы их решения.8
1.2 Устройство и особенности эксплуатации частотноуправляемого асинхронного электропривода
   шахтного электровоза...........................21
1.3 Специфика применения силовых полупроводниковых инверторов в структуре активных фильтров напряжения частотно-управляемых асинхронных электроприводов...28
Вопросы для самоконтроля...........................33


РАЗДЕЛ 2
УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ШАХТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК. СТРУКТУРА ТИПОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЁТА ИХ ПАРАМЕТРОВ

2.1 Реостатные системы регулируемого асинхронного электропривода. Структура силовых схем и методы расчёта их параметров...........................................36
    2.1.1 Методикарасчётапараметров функциональныхузлов
        электропривода..................................38
    2.1.2 Разработка схем управления силовыми коммутационными устройствами электропривода. Основные положения.....49
    2.1.3 Принципы построения функциональныхузлов системы управления скоростным режимом электропривода........52
    2.1.4 Варианты схемы частотно-аналогового преобразователя.....................................54

3

   2.1.5 Защита электропривода от работы в режиме перегрузки........................................55
2.2 Автоматизированный электропривод постоянного тока
   (на примере шахтных подъёмных установок).
   Схемные решения и методы расчёта параметров структурных компонентов.........................61
   2.2.1 Порядок и методика расчёта физических параметров силовой электромеханической установки подъёма.....63
   2.2.2 Структура системы регулирования скорости электропривода и расчёт параметров её компонентов.65
Вопросы для самоконтроля...........................75

РАЗДЕЛ 3
ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕУСТАНОВКИ В СТРУКТУРЕ ПРИВОДОВ ГОРНЫХ МАШИН

      И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ШАХТ

3.1 Применение регулируемых гидромуфт в структуре

    рудничных электроприводов...........................78
3.2 Применение гидродинамических устройств в структуре электроприводов подачи очистных комбайнов...87
3.3 Гидродинамические устройства в структуре электроприводов шахтных монорельсовых и канатных дорог..................94
Вопросы для самоконтроля................................99


РАЗДЕЛ 4
ЛИНЕЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. УСТРОЙСТВО И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
      В СТРУКТУРЕ РУДНИЧНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Вопросы для самоконтроля.......................108

РАЗДЕЛ 5
ОПАСНОСТИ И МЕТОДЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОТРАВМАТИЗМА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МОЩНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

5.1 Факторы электротравматизма при эксплуатации шахтного участкового многомашинного электротехнического комплекса. Нормативы электробезопасности и способы
   предотвращения электротравматизма...........109

4

    5.1.1 Многомашинный электротехнический комплекс участка шахты как объект формирования
        электропоражающих факторов...................109
    5.1.2 Обзор способов предотвращения электротравматизма при эксплуатации многомашинных электротехнических комплексов технологических участков шахты..........114
5.2 Обратные энергетические потоки асинхронных двигателей многомашинных комплексов как обобщённый электропоражающий фактор.............................122
    5.2.1 Особенности формирования обратной ЭДС асинхронного двигателя на интервале выбега......................122
    5.2.2 Специфика проявления электропоражающего фактора двухскоростного асинхронного двигателя.............129
5.3 Способы выявления и подавления электропоражающего фактора, обусловленного функционированием асинхронных двигателей в электроприводах рудничных электротехнических комплексов........................139

Вопросы для самоконтроля.............................149
Приложения А-И ......................................151
Список литературы ...................................168

5

ПРЕДИСЛОВИЕ


      Технология ведения горных работ характеризуется комплексом взаимосвязанных процессов, таких, как очистные и подготовительные работы, конвейерный и локомотивный транспорт, шахтный главный и вспомогательный подъём, водоотлив, проветривание горных выработок и др. Большинство из них характеризуется высокой энергоёмкостью, необходимостью регулирования скоростных параметров исполнительных машин и механизмов, требует обеспечения высокого ресурса соответствующего электромеханического оборудования, эксплуатация которого усложнена специфическими условиями окружающей среды в шахте, руднике. Определяющую роль в работе горных машин, другого технологического оборудования играют регулируемые электроприводы.
      Сложность горно-технологических процессов и условий их проведения в шахтах, рудниках, общая тенденция к повышению мощности рудничных электромеханических установок предопределяют непрерывное совершенствование конструкций их электроприводов, способов управления их параметрами. В результате, в контексте поиска рациональных технических решений структуры автоматизированных электроприводов машин и установок шахт и рудников насыщаются сложными многофункциональными компонентами, образующими мехатронные устройства, электро-гидродинамические приводные комплексы, многофункциональные частотно-управляемые приводные установки и пр.
      В ходе эксплуатации современных рудничных многомашинных электротехнических комплексов, оснащённых регулируемыми по скорости электродвигателями высокой мощности характерным является проявление ряда неприемлемых воздействующих факторов, таких, как, искажение синусоидальности фазных напряжений сети, формирование продолжительных обратных ЭДС асинхронных двигателей высокой мощности, создающих опасность электротравматизма. Технические средства подавления указанных неприемлемых факторов являются неотъемлемой частью систем автоматизированных электроприводов рудничного электрооборудования в контексте обеспечения их эффективной и безопасной эксплуатации.

6

      В учебном пособии данная проблематика раскрыта в форме, доступной для изучения. Кроме этого, учебное пособие содержит актуальную научно-техническую и справочную информацию, методические рекомендации по проектированию и расчёту типовых структур рудничных электроприводов.
      Данное учебное пособие создаёт возможность формирования у студентов более полных и системных знаний в области проектирования и эксплуатации рудничных электроприводов.
      Материал учебного пособия разработан для студентов, обучающихся по специальности «Горной дело», (специализация «Электрификация и автоматизация горного производства») и может быть использован для подготовки студентов по направлениям: «Автоматизация технологических процессов и производств», «Электропривод и автоматизация промышленных установок» и т. п.

7

РАЗДЕЛ 1
АДАПТАЦИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ К ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ


     Учебной целью раздела является приобретение студентами знаний о специфике применения силовых полупроводниковых преобразователей в структуре электроприводов шахтных подземных технологических установок, включая проблематику адаптации преобразователей к условиям размещения в рудничных взрывозащищённых оболочках; применения преобразователей в составе частотноуправляемых электроприводов шахтных подземных электровозов; стабилизации синусоидальности напряжения сети электропитания частотно-управляемого асинхронного электропривода на основе применения активных фильтров с управляемыми силовыми полупроводниковыми инверторами напряжения. Результатом усвоения студентами материала раздела являются знания относительно специфики применения силовых полупроводниковых преобразователей в структуре электроприводов шахтных подземных технологических установок.

     1.1 Силовой полупроводниковый преобразователь частоты как компонент мехатронной системы горной машины. Проблемные вопросы эксплуатации
        и способы их решения

     Сложность и многообразие технологических процессов горного предприятия предопределяют актуальность совершенствования шахтных технологических установок и, в частности, горных машин в контексте расширения их функциональности, повышения производительности, удельного энергопотребления и ресурса, безопасности эксплуатации, снижения трудоемкости обслуживания. Всё это в комплексе предопределяет значительное повышение в структуре горных машин удельного веса информационных компонент и устройств силовой электроники и преобразование горных машин из электромеханических систем в мехатронные [1, 2]. В структуре комплекса техно

8

логических установок шахты, предназначенного для осуществления добычи полезного ископаемого, одним из наиболее ярких представителей мехатронных объектов является очистной комбайн с электрическим приводом подачи на базе частотно-регулируемого привода.
     Очистные комбайны, адаптированные к структуре мехатронных систем, являются объектами, управляемыми и информационно связанными с оператором только посредством управляющего модуля (системы управления), который, получая команды от оператора, преобразует их в управляющий код (общую шину передачи данных). Необходимость в этом определяется, в первую очередь, особенностями работы преобразователя частоты с автономным инвертором, который для управления скоростью вращения приводного двигателя в режиме широтно-импульсной модуляции осуществляет коммутацию силовых ключей с частотой 2500 Гц, контролируя при этом порядка 30 внутренних параметров. Именно поэтому невозможно обеспечить работу комбайна без информационных и электронных компонент, что и делает такой комбайн мехатронным. Доля электронной компоненты в структуре управления движением «мехатронного» очистного комбайна составляет 35 %, информационной компоненты - 6 %, силовой и механической - по 29,5 % [2].
     Таким образом, мехатронность комбайна относится к элементам обеспечения его работоспособности, управления его движениями, в то время как автоматизация необходима для улучшения условий труда оператора, сокращения выполняемых им функций управления и контроля. Использование принципов мехатроники позволяет создать машину со сложной структурой, которой оператор (или система автоматизации) может управлять, контролируя только ее выходные функции (а не внутреннее состояние). При этом, имеющиеся в структуре «мехатронного» очистного комбайна информационноэлектронные компоненты с высокой вычислительной мощностью, помимо задач управления движением, решают задачи диагностики и автоматизации управления.
     Учитывая тенденцию ко всё более широкому применению шахтных асинхронных электроприводов высокой мощности, приоритетным направлением в области силовой рудничной преобразовательной техники является разработка и эксплуатация силовых полупроводниковых преобразователей высокой мощности, адаптированных к условиям эксплуатации в закрытых металлических взрывоза

9

щищённых оболочках в составе электротехнического комплекса технологического участка шахты. Применительно к очистным комбайнам это могут быть преобразователи частоты (как структура электропривода подачи), встроенные в корпус комбайна, либо размещаемые обособленно в оболочках рудничного взрывозащищённого исполнения (если габариты преобразователя не позволяют его разместить внутри корпуса очистного комбайна). В последнем случае преобразователь частоты располагают на штреке. Применительно к электроприводам подачи очистных комбайнов здесь в качестве примера могут служить преобразователи частоты ПЧЭШ-60; ПЧЭ-120М; DYNAVERT 250/1140-60ЙА, и т.п, управления скоростью подачи очистного комбайна (рис. 1.1). Кроме этого, в горной промышленности применяют многофункциональные преобразователи частоты взрывозащищённые серии ПЧВ (рис. 1.2, приложение А) [3-6]. В ряде случаев мощность электропривода шахтной технологической установки может быть соразмерной с мощностью участковой трансформаторной подстанции. Такому соотношению соответствует применение комбинации электрогенерирующего, силового коммутационного и преобразовательного устройств - комплектной силовой взрывозащищённой трансформаторной подстанции типа КТСВПЗ-ПЧ с преобразователем частоты (рис. 1.3) [7].
     Преобразователь ПЧЭШ-60 выполнен на базе частотного преобразователя с водяным охлаждением типа ПЧЭ-120М. Он предназначен для эксплуатации в сети линейного напряжения 1140 В. При этом диапазон изменения выходной частоты напряжения преобразователя составляет от 2,5 до 150 Гц [2]. Будучи размещённым в обособленной рудничной оболочке, этот преобразователь адаптирован для эксплуатации в составе электроприводов подачи очистных комбайнов типажного ряда серии УКД.
     Преобразователь того же типа и его информационная компонента конструктивно интегрированы в корпуса очистных комбайнов типажного ряда серии КДК (приводы подачи комбайна КДК500 и т. п.). Составной частью системы управления очистными комбайнами КДК400, КДК500, КДК700 является аппаратура КС500Ч-02 (Ис), которая обеспечивает необходимые защиты и блокировки, индикацию основных параметров электроприводов комбайна и причин его отключения. КС500Ч-02 включает в себя штрековую часть, состоящую из пульта управления и источника питания, а также комбайно

10

вую часть, состоящую из пультов (центрального, левого, правого и радиоуправления), блока управления, датчиков.
     Усовершенствованным техническим решением этого же назначения является комплекс КМ-ПЧ с преобразователем частоты типа МСД (рис. 1.4, приложение А). Помимо полного управления механизмами очистного забоя, в функции комплекса входит расширение возможности по управлению комбайном, обеспечение регистрации и хранения всех контролируемых параметров, вплоть до величины напряжения сети, осуществление сбора информации о состоянии забойного скребкового конвейера, насосной станции, и её передачу диспетчеру (на поверхность) шахты.
     Структура силовой схемы преобразователя частоты не содержит элементов, отличающих её от аналогичных схем, применяемых в структуре асинхронных регулируемых электроприводов и содержит управляемый выпрямитель, подключаемый входом к трёхфазной сети, к выходу которого через фильтр присоединён автономный инвертор напряжения, выполненный, обычно, на IGBT (транзисторах) и формирующий напряжение регулируемой частоты в режиме широтно-импульсной модуляции [8, 9]. К выходу инвертора подключен двигатель привода подачи комбайна (рис. 1.5).
     Маловентильные силовые полупроводниковые устройства (тиристорные регуляторы напряжения в качестве устройств плавного пуска асинхронных двигателей) также выпускаются в обособленных взрывозащищённых корпусах, что расширяет возможности их применения без привязки к конкретному объекту (электроприводу). Однако, как для преобразователей частоты, содержащих 12, либо 18 силовых полупроводниковых приборов, так и для регуляторов напряжения (6 силовых полупроводниковых приборов) критически важно обеспечивать допустимый тепловой режим в процессе эксплуатации под нагрузкой при условии их размещения в закрытых металлических взрывозащищённых корпусах (оболочках) рудничного электрооборудования.
     Тепловые потери в полупроводниковых приборах обусловлены падением напряжения при протекании тока нагрузки. Задачи обеспечения их надёжной работы тесно связаны с необходимостью обеспечения теплового режима работы в диапазоне допустимых температур.

11

силовой ста иди и

Рисунок 1.1 - Система управления очистного комбайна У КД300, оснащённого частотно-управляемым асинхронным электроприводом подачи

Рисунок 1.2 - Варианты исполнения преобразователя частоты взрывозащищённого серии ПЧВ-К У5(а)и ПЧВ-150 (б):
1 - силовой блок; 2 - система внешнего водяного охлаждения силовых полупроводниковых приборов преобразователя

Рисунок 1.3 - Комплектная силовая взрывозащищённая трансформаторная подстанция КТСВПЗ-ПЧ: 1 - распределительное устройство высшего напряжения; 2 - силовой трансформатор; 3 - преобразователь частоты; 4 - система водяного охлаждения полупроводниковых приборов преобразователя частоты

13