ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ПЕРЕГОНА ГОРНЫХ МАШИН
ELECTRIC DIESEL GENERATOR STATION FOR MINING MACHINES

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в автономных энергетических установках, обеспечивающих электропитание приводных систем горных машин, имеющих соизмеримую с источником мощность.
Известны электрические дизель-генераторные станции для перегона горных машин, содержащие дизельный двигатель с регулятором частоты вращения, вал дизельного двигателя соединен с ротором синхронного генератора, выход которого подключен через коммутационный аппарат и кабель к электрооборудованию перегоняемой горной машины, регулятор тока возбуждения синхронного генератора, подключенный выходом к обмотке возбуждения синхронного двигателя, контроллер, входы которого подключены к выходам датчиков тока и напряжения синхронного генератора, а выходы соединены с входами регулятора тока возбуждения синхронного генератора (Патент РФ №2670964. МПК Н02Р 9/48; Н02Р 9/02; Е21С 47/02; E02F 7/02; E02F 9/20. Способ управления электрооборудованием при перегоне экскаватора. - С.И. Малафеев, Н.А. Серебренников. - Опубл. 26.10.2018. Бюлл. №33; Malafeev S.I., Malafeev S.S. Analysis of a quarry mobile diesel generator station during the moving of an excavator. In book: Proceedings of the 6th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2020), Lecture Notes in Mechanical Engineering, A.A. Radionov and V.R. Gasiyarov (eds.), Vol. II, 2021, pp. 803-810. https://doi.org/10.1007/978-3-030-54817-9_93).
Известные электрические дизель-генераторные станции для перегона горных машин обеспечивают электропитание карьерных экскаваторов-мехлопат и буровых станков напряжением 6 кВ частоты 50 Гц. Электрооборудование таких горных машин содержит силовые понижающие трансформаторы и электроприводы постоянного или переменного тока (Малафеев С.И., Коняшин В.И., Новгородов А.А. Экскаватор ЭКГ-20: новое техническое решение мехатронного комплекса // Уголь, 2019, №7, с. 4-7. DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-7-4-7). Регулирование потоков электрической энергии при ограниченной мощности дизель-генераторной станции осуществляется системами управления приводов хода горной машины.
Электрогидравлические экскаваторы содержат приводные асинхронные двигатели большой мощности. Подключение мощных асинхронных двигателей к дизель-генераторным станциям регламентировано ГОСТ 33105-2014 (Межгосударственный стандарт). Установки электрогенераторные с двигателями внутреннего сгорания Общие технические требования. М.: Стандартинформ, 2015. - 39 с. Согласно этому документу электрогенераторные установки трехфазного переменного тока частотой 50 Гц в ненагруженном состоянии должны обеспечивать возможность пуска асинхронных короткозамкнутых электродвигателей с пусковым током кратностью до 7 номинального значения и мощностью (в процентах от мощности электрогенераторной установки), не менее: 70 при мощности электрогенераторной установки до 60 кВт; 60 при мощности электрогенераторной установки до 100 кВт; 50 при мощности электрогенераторной установки до 500 кВт; 35 при мощности электрогенераторной установки до 1000 кВт. При увеличении мощности подключаемого двигателя или наличии на его валу механической нагрузки пуск двигателя не гарантируется.
При перегоне экскаватора работают только приводы хода. Следовательно, в режиме перегона электропитающие агрегаты работают при пониженной мощности и низком КПД. Увеличение мощности дизель-генераторной станции для обеспечения гарантированного пуска приводного асинхронного двигателя электрогидравлического экскаватора приводит к снижению энергетической эффективности электрической дизель-генераторной станции для перегона горных машин.
Таким образом, недостаток известных электрических дизель-генераторных станций для перегона горных машин состоит в низкой энергетической эффективности работы при перегоне машин с приводными асинхронными двигателями, например, электрогидравлических
экскаваторов.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому техническому решению является электрическая дизель-генераторная станция для перегона горных машин, содержащая дизельный двигатель с регулятором частоты вращения, вал дизельного двигателя соединен с ротором синхронного генератора, выход которого подключен через выключатель и кабель к статорным обмоткам асинхронного приводного двигателя перегоняемой горной машины, регулятор тока возбуждения синхронного генератора, подключенный выходом к обмотке возбуждения синхронного генератора, контроллер, входы которого подключены к выходам датчиков тока и напряжения синхронного генератора, а выход соединен с входом регулятора тока возбуждения синхронного генератора, и блок задания (Патент РФ №745179. СПК Н02Р 1/30. Способ управления дизель-генераторной установкой при включении асинхронного двигателя / С.И. Малафеев. - Опубл. 22.03.2021. Бюл. №9).
Известная электрическая дизель-генераторная станция обеспечивает электропитание карьерных горных машин с приводными асинхронными двигателями напряжением 6 кВ частоты 50 Гц при перегоне. При пуске асинхронного двигателя происходит увеличение тока и снижение выходного напряжения синхронного генератора. В случае одновременного превышения током и отклонением напряжения заданных пороговых уровней регулятор частоты вращения дизельного двигателя снижает частоту вращения дизель-генераторной станции до установленного значения и стабилизирует ее до завершения пуска асинхронного двигателя при пониженной частоте. После снижения тока и уменьшения отклонения напряжения до заданных уровней регулятор дизельного двигателя плавно увеличивает частоту вращения до номинального значения. Напряжение синхронного генератора также увеличивается до номинального значения. Таким образом, происходит частотный пуск двигателя при ограниченном токе. При пуске приводного двигателя все другое электрооборудование горной машины, включая систему управления, оказывается подключенным к источнику электроэнергии переменного напряжения и частоты. Это может привести к срабатыванию защит и отключению установки. Кроме этого отсутствует возможность увеличения энергетической эффективности работы перегонной станции путем снижения частоты в режиме перегона.
Таким образом, недостаток известных электрических дизель-генераторных станций для перегона горных машин состоит в недостаточной надежности работы электрооборудования и низкой энергетической эффективности при перегоне машин с приводными асинхронными двигателями, например, электрогидравлических экскаваторов.
Цель предполагаемого изобретения - повышение надежности работы электрооборудования и энергетической эффективности при перегоне машин с приводными асинхронными двигателями, например, электрогидравлических экскаваторов.
Поставленная цель достигается тем, что в известной электрической дизель-генераторной станции для перегона горных машин, содержащей дизельный двигатель с регулятором частоты вращения, вал дизельного двигателя соединен с ротором синхронного генератора, выход которого подключен через коммутационный аппарат и кабель к статорным обмоткам асинхронного приводного двигателя перегоняемой горной машины, регулятор тока возбуждения синхронного генератора, подключенный выходом к обмотке возбуждения синхронного генератора, контроллер, входы которого подключены к выходам датчиков тока и напряжения синхронного генератора, а выходы соединены с входами регулятора частоты вращения дизельного двигателя и регулятора тока возбуждения синхронного генератора, и блок задания, дополнительно введен трехфазный преобразователь частоты, вход которого подключен к статорным обмоткам синхронного двигателя, а выход через второй коммутационный аппарат и второй кабель подключен к трансформатору собственных нужд перегоняемой горной машины, выход блока задания подключен к входу контроллера.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое устройство содержит следующие новые признаки:
- трехфазный преобразователь частоты, вход которого подключен к статорным обмоткам синхронного генератора, а выход через второй разъединитель и второй кабель подключен к трансформатору собственных нужд перегоняемой горной машины;
- второй кабель;
- выход блока задания подключен к входу контроллера. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
По каждому из отличительных признаков проведен поиск известных технических решений в области электротехники, электропривода и горной автоматики.
Трехфазный преобразователь частоты, вход которого подключен к статорным обмоткам синхронного генератора, а выход через второй разъединитель и второй кабель подключен к трансформатору собственных нужд перегоняемой горной машины, и второй кабель в технических решениях аналогичного назначения не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
При реализации предлагаемого технического решения обеспечивается повышение надежности работы электрооборудования и энергетической эффективности дизель-генераторной станции при перегоне горных машин с приводными асинхронными двигателями, например, электрогидравлических экскаваторов. Электрооборудование собственных нужд горной машины во всех режимах работы получает питание от стабилизированного источника -трехфазного преобразователя частоты. Благодаря этому обеспечивается надежная работа всех систем управления машины. Пуск асинхронного двигателя происходит при одновременном регулировании частоты и напряжения синхронного генератора. При частотном пуске обеспечивается ограничение тока и мощности, потребляемых от дизель-генераторной станции. В режиме перегона при пониженной нагрузке приводного асинхронного двигателя снижаются частота и напряжение синхронного генератора с целью снижения мощности и повышения энергетической эффективности работы дизель-генераторной станции.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана упрощенная схема электрической дизель-генераторной установки для перегона горных машин. На фиг. 1 обозначено: 1 - дизельный двигатель; 2 - регулятор частоты вращения дизельного двигателя; 3 - синхронный генератор; 4 - регулятор тока возбуждения синхронного генератора; 5 - трехфазный преобразователь частоты; 6 - датчик тока; 7 - контроллер; 8 - датчик напряжения; 9 - блок задания; 10 - распределительное устройство; 11 и 12 - первый и второй коммутационные аппараты; 13 и 14 - первый и второй кабели; 15 - электрооборудование перегоняемой горной машины; 16 - приводной асинхронный двигатель; 17 - трансформатор собственных нужд.
В электрической дизель-генераторной станции для перегона горных машин, содержащей дизельный двигатель 1 с регулятором частоты вращения 2, вал дизельного двигателя 1 соединен с ротором синхронного генератора 3, выход которого подключен через коммутационный аппарат 11 и кабель 13 к статорным обмоткам асинхронного приводного двигателя 16 перегоняемой горной машины 15, регулятор тока возбуждения синхронного генератора 4 подключен выходом к обмотке возбуждения синхронного генератора 3, входы контроллера 7 подключены к выходам датчиков тока 6 и напряжения 8 синхронного генератора, и блока задания 9, а выходы соединены с входами регулятора частоты вращения 2 дизельного двигателя 1 и регулятора тока возбуждения 4 синхронного генератора 3, вход преобразователя частоты 5 подключен к статорным обмоткам синхронного двигателя 3, а выход через второй коммутационный аппарат 12 и второй кабель 14 подключен к трансформатору собственных нужд 17 перегоняемой горной машины 15.
Дизельный двигатель 1 вращает вал синхронного генератора 3. Контроллер 7 формирует сигналы задания для регулирования тока возбуждения синхронного генератора 3 и частоты вращения дизельного двигателя 1. Регулирование тока возбуждения синхронного генератора 3 производится по алгоритму стабилизации выходного напряжения с помощью регулятора тока возбуждения 4. Регулирование частоты вращения дизельного двигателя 1 производится с помощью регулятора частоты 2 в соответствии с сигналом, формируемым контроллером 7.
Контроллер 7 выполняет следующие функции:
- обработку сигналов, поступающих с выходов датчиков тока 6 и напряжения 8 и блока задания 9;
- сравнение текущих значений напряжения и частоты синхронного генератора 3 с заданными с помощью блока задания 9 значениями и тока нагрузки с допустимым максимальным значением;
- формирование сигнала задания для регулятора частоты вращения дизельного двигателя 2 в зависимости от разности заданного и текущего значений частоты выходного напряжения синхронного генератора 3;
- формирование сигнала задания для регулятора тока возбуждения 4 синхронного генератора 3 в зависимости от разности заданного и текущего значений выходного напряжения синхронного генератора 1 и текущего значения тока нагрузки синхронного генератора 3.
н
H
Работа электрической дизель-генераторной станции для перегона горных машин происходит следующим образом. В исходном состоянии контроллер 7 формирует сигналы для регулятора частоты вращения 2 и регулятора тока возбуждения синхронного генератора 3. При этом происходит поддержание номинальной частоты n вращения вала дизельного двигателя 1 и напряжения синхронного генератора 3 на уровне номинального значения U. Преобразователь частоты 5, подключенный к статорным обмоткам синхронного генератора 3, формирует на выходе стабилизированное трехфазное напряжение номинальной частоты, например, 6 кВ, 50 Гц. Ток синхронного генератора 3 имеет величину, обусловленную дополнительной нагрузкой, подключенной к его статорным обмоткам, и работой преобразователя частоты 5.
Статорная обмотка синхронного генератора 3 через коммутационный аппарат 11 распределительного устройства 10 и первый кабель 13 подключается к приводному асинхронному двигателю 16 горной машины. Выход преобразователя частоты 5 через коммутационный аппарат 12 распределительного устройства 10 и второй кабель 14 подключается к трансформатору собственных нужд 17 горной машины.
н
з
При пуске приводного асинхронного двигателя 16 контроллер 7 формирует сигналы управления для регуляторов частоты вращения 2 дизельного двигателя 1 и тока возбуждения синхронного генератора 3 в соответствии с алгоритмом частотного пуска. При этом все электрооборудование собственных нужд горной машины подключено к выходу трехфазного преобразователя частоты 5 через трансформатор собственных нужд 17. Следовательно, электропитание системы и аппаратуры управления горной машины осуществляется стабилизированным напряжением частоты 50 Гц. Пуск приводного асинхронного двигателя 16 заканчивается при достижении частоты вращения номинального n или другого заданного значения n.
3
3
В режиме перегона горной машины контроллер 7 формирует сигналы управления для регуляторов частоты вращения 2 дизельного двигателя 1 и тока возбуждения синхронного генератора 3 в соответствии с алгоритмом поддержания заданных значений напряжения U и частоты п с учетом соотношения  Снижение частоты питающего напряжения при перегоне позволяет снизить потребляемую от дизель-генераторной станции мощность и увеличить КПД. Изменение частоты питающего напряжения -наиболее приемлемый, эффективный и совершенный способ регулирования, позволяющий обеспечить бесступенчатое плавное изменение гидравлических, электрических и механических характеристик электронасоса. В горных машинах с электрогидравлическим приводом изменение частоты вращения электродвигателя сопровождается изменением характеристик насоса в соответствии с законами подобия.
Производительность Q пропорциональна отношению частоты вращения:
0
н
где Q - производительность при номинальной частоте вращения n.
Манометрический напор Η пропорционален отношению частоты вращения в квадрате:
0
н
где Н - манометрический напор при номинальной частоте вращения n.
Потребляемая мощность Ρ пропорциональна отношению частоты вращения в кубе:
0
н
где Р - мощность при номинальной частоте вращения n.
Как видно из приведенных формул подобия незначительное изменение частоты вращения вала сопровождается значительными изменениями в потреблении электроэнергии. Например, центробежный насос, работающий с питанием от сети 50 Гц, со скоростью оборотов двигателя 1470 об/мин, при уменьшении частоты в сети до 40 Гц, снизит число оборотов, соответственно, до 1176 об/мин и производительность на 20%. При этом в соответствии с законами подобия потребление энергии сократится на 50%. Мощность дизельного двигателя при снижении частоты уменьшается пропорционально частоте вращения, т.е. на 20%. КПД насосного агрегата снижается при снижении расхода практически пропорционально расходу. Например, при снижении расхода в 2 раза КПД насосного агрегата снижается также в 2 раза. При работе агрегата на пониженной частоте КПД снижается на несколько процентов.
При перегоне горной машины на пониженной частоте питающего напряжения все электрооборудование собственных нужд горной машины подключено к выходу трехфазного преобразователя частоты 5 через трансформатор собственных нужд 17. Электропитание системы и аппаратуры управления горной машины осуществляется стабилизированным напряжением частоты 50 Гц независимо от изменения частоты синхронного генератора.
Например, экскаватор ЕХ3600 массой 336 τ имеет приводной асинхронный двигатель 1300 кВт. Для перегона машины по дороге без уклона со скоростью 2 км/час требуется мощность источника 440 кВт. При подъеме в гору с уклоном 30 град при скорости 1 км/ч требуется мощность 650 кВт (Malafeev S.I., Malafeev S.S. Analysis of a quarry mobile diesel generator station during the moving of an excavator. In book: Proceedings of the 6th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2020), Lecture Notes in Mechanical Engineering, A.A. Radionov and V.R. Gasiyarov (eds.), Vol. II, 2021, pp. 803 - 810. https://doi.org/10.1007/978-3-030-54817-9_93). Для перегона экскаватора при пониженной частоте возможно использование дизель-генераторной станции мощностью 900…1000 кВт.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает частотный пуск асинхронного двигателя и перегон горной машины при ограниченной мощности дизель-генераторной установки. В результате этого обеспечивается повышение надежности работы электрооборудования и энергетической эффективности при перегоне машин с приводными асинхронными двигателями, например, электрогидравлических экскаваторов.
С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения, было выполнено моделирование работы дизель-генераторной установки при включении асинхронного двигателя, мощность которого соизмерима с мощностью генератора, с помощью MATLAB. При моделировании использовались:
- дизельный двигатель 12M26G1000/5 с параметрами: мощность 820 кВт; номинальная частота 1500 об/мин;
2
- синхронный генератор СГ2-750/6,3-4УЗ с параметрами: номинальная мощность 750 кВт; номинальное напряжение 6300 В; номинальный ток 86 А; КПД 94,3%; частота вращения 1500 об/мин; момент инерции ротора 44 кг⋅м;
2
- асинхронный двигатель А4-450Х-4МУЗ с параметрами: номинальная мощность 800 кВт; номинальное напряжение 6000 В; номинальный ток статора 72,5 А; синхронная частота вращения 1450 об/мин; КПД 94,3%; отношение максимального момента к номинальному 2,3; кратность пускового тока 5,5; маховый момент ротора 84 кг⋅м.
д
2
В Simulink-модели, составленной в соответствии со схемой, изображенной на фиг. 1, механический момент нагрузки двигателя зависит от угловой скорости Ω асинхронного двигателя 16 в соответствии с уравнением М=0,2Ω.
На фиг. 2 показаны осциллограммы для действующего значения тока I синхронного генератора 3; действующего значения линейного напряжения U и частоты ƒ на выходе синхронного генератора 3; угловой скорости Ω асинхронного двигателя 16; механической мощности Ρ асинхронного двигателя 15.
0
1
2
3
4
н
4
4
5
5
5
н
6
6
В начальный момент времени t=0 дизельный двигатель работает с номинальной частотой 1500 об/мин. Автоматические коммутационные аппараты 11 и 12 выключены. В этот момент времени начинается подготовка к пуску приводного асинхронного двигателя перегоняемой горной машины путем снижения частоты вращения дизельного двигателя 1. При пуске асинхронного двигателя 16 в момент времени t=10 с происходит резкое увеличение тока нагрузки и снижение выходного напряжения синхронного генератора 3. В момент времени t≈22,0 с происходит пуск асинхронного двигателя 16 на частоте ƒ=25 Гц. В момент времени t=30 с контроллер 7 формирует сигнал управления для регулятора 2 частоты вращения дизельного двигателя 1, приводящий к увеличению частоты вращения до значения n=1200 об/мин (момент времени t≈45 с). Одновременно контроллер 7 формирует сигнал управления для регулятора тока возбуждения 4, устанавливающий напряжение синхронного генератора 3 равным U=0,8U в соответствии с законом  Начиная с момента времени t≈45 с регулятор вращения 2 стабилизирует частоту вращения дизельного двигателя 1 на уровне n=1200 об/мин и выходное напряжение синхронного генератора на уровне U=4800 В. В результате происходит работа приводного асинхронного двигателя 16 при пониженных частоте ƒ=40 Гц и напряжении U=4800 В (интервал времени t-t, t=70 с). При этом мощность приводного асинхронного двигателя Ρ≈400 кВт, т.е. 50% от номинальной мощности. В момент времени t контроллер 7 формирует сигналы управления для регулятора 2 частоты вращения дизельного двигателя 1 и регулятора тока возбуждения синхронного генератора 4, приводящие к увеличению частоты вращения дизельного двигателя до значения n=1350 об/мин и напряжения синхронного генератора до значения U=0,9U=5400 В. (момент времени t≈75 с). Начиная с момента времени t асинхронный приводной двигатель 16 работает при частоте 45 Гц и развивает при этом мощность 530 кВт, т.е. 67% от номинальной мощности двигателя 16.
Таким образом, снижение частоты и напряжения синхронного генератора при перегоне горной машины с приводным асинхронным двигателем позволяет снизить мощность до уровня, необходимого для работы привода хода при поддержании высокого КПД системы гидроприводов.
При перегоне экскаваторов-мехлопат и буровых станков напряжением 6 кВ частоты 50 Гц, электрооборудование которых содержит силовые понижающие трансформаторы и электроприводы постоянного или переменного тока, в режиме перегона контроллер 7 устанавливает сигналы задания для регулятора 2 частоты вращения дизельного двигателя и регулятора тока возбуждения синхронного генератора 3, обеспечивающие выходное напряжение генератора 6 кВ и частоту тока 50 гЦ. Регулирование потоков электрической энергии при этом осуществляется системами управления приводов хода горной машины.
Следовательно, использование в известной электрической дизель-генераторной станции для перегона горных машин, содержащей дизельный двигатель с регулятором частоты вращения, вал дизельного двигателя соединен с ротором синхронного генератора, выход которого подключен через коммутационный аппарат и кабель к статорным обмоткам асинхронного приводного двигателя перегоняемой горной машины, регулятор тока возбуждения синхронного генератора, подключенный выходом к обмотке возбуждения синхронного генератора, контроллер, входы которого подключены к выходам датчиков тока и напряжения синхронного генератора, а выходы соединены с входами регулятора частоты вращения дизельного двигателя и регулятора тока возбуждения синхронного генератора, и блок задания, дополнительно трехфазного преобразователя частоты, вход которого подключен к статорным обмоткам синхронного двигателя, а выход через второй коммутационный аппарат и второй кабель подключен к трансформатору собственных нужд перегоняемой горной машины, выход блока задания подключен к входу контроллера, обеспечивает повышение надежности работы электрооборудования и энергетической эффективности при перегоне машин с приводными асинхронными двигателями.
Использование предлагаемого способа в промышленных системах электроприводов с автономными системами электроснабжения будет способствовать повышению энергетической эффективности, надежности и качества работы электрооборудования.