Обоснование выбора системы электропривода

Синхронные приводы шаровых мельниц и сами агрегаты являются главным технологическим оборудованием золотоизвлекающей фабрики.

Нашли применение синхронные электроприводы мельниц. Синхронные двигатели применяются для шаровых, трубных и стержневых мельниц; для центробежных и поршневых насосов и компрессоров, вентиляторов, газодувок, молотковых дробилок, прокатных станов, резиновых вальцов и так далее.

Главное преимущество синхронных двигателей перед асинхронными двигателями заключается в том, что путем изменения тока возбуждения можно изменять величину реактивной мощности двигателя.

В зависимости от величины тока возбуждения реактивная мощность может выдаваться в сеть (при возбуждении) и потребляться из сети (при недовозбуждении). Синхронные двигатели обычно выполняются для работы с опережающим коэффициентом мощности, то есть для выдачи реактивной мощности в сеть, поэтому широкое применение синхронных приводов способствует решению важной проблемы систем электроснабжения – проблемы получения и распределения реактивной мощности.

Шаровые мельницы относятся к типу дробильно-размольных механизмов. Эти механизмы применяются для дробления и измельчения горных пород, продуктов химической промышленности, отходов металлургического производства и т.д. В шаровых мельницах измельчение материала осуществляется падающими шарами, имеющими размер d ≤ D/20, где D – диаметр барабана мельницы.

Для привода шаровых мельниц наиболее широко распространены электроприводы с синхронными двигателями частотой вращения 150-200 об/мин и мощностью до 6 МВт.

Нашей главной проблемой является пуск мельницы, так как синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т. е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как его ротор, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

Есть несколько способов пуска двигателя: асинхронный пуск синхронного электродвигателя; использование тиристорных возбудителей для пуска синхронных электродвигателей (преобразователи частоты).

Метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка». Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготовляют из латуни. При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током I пв пусковой обмотке, создает электромагнитные силы F и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток (в 5—7 раз больший рабочего тока). Пусковой ток вызывает падение напряжения в сети, а это отражается на работе других потребителей. Для уменьшения пускового тока применяют пуск при пониженном напряжении с помощью реактора или автотрансформатора.

Для ограничения пускового тока может быть использован реактор, включаемый между сетью и обмоткой статора двигателя. Схема реакторного пуска двигателя показана на рисунке3.1. Ограничение пускового тока связано с падением напряжения на включённом в цепь статора реакторе, что приводит к значительному уменьшением асинхронного момента (ввиду квадратичной зависимости момента от напряжения).

Рисунок 3.1 – Схема пуска синхронного двигателя с помощью реактора, где В – возбудитель; Р – пусковой реактор; СТД – синхронный трехфазный двигатель; QF1 – выключатель; QF2 – шунтирующий выключатель.

В качестве устройства, ограничивающего пусковой ток синхронного двигателя, может использоваться также автотрансформатор. Схема пуска двигателя с помощью автотрансформатора представлена на рисунке3.2. Автотрансформатор снижает напряжение на двигателе пропорционально коэффициенту трансформации, при этом потребляемый от сети ток уменьшается пропорционально квадрату коэффициента трансформации. Таким образом, применение пускового автотрансформатора позволяет значительно уменьшить потребляемый от сети ток при существенно меньшем снижении пускового момента, чем в случае реакторного пуска.

Рисунок3.2 – Схема пуска синхронного двигателя с помощью автотрансформатора, где АТ – автотрансформатор; В – возбудитель; СТД – синхронный трехфазный двигатель; QF1 – выключатель; QF2 – шунтирующий выключатель; QF3 – выключатель, замыкающий концы обмоток в нейтральную точку.

В случае реакторного пуска для значительного уменьшения потребляемого от сети тока индуктивное сопротивление реактора должно быть соизмеримо со сверхпереходными сопротивлениями двигателя.

Пуск с поочередным включением параллельных ветвей статора можно применять в тех случаях, когда эти ветви расположены в различных пазах или когда они охватывают только некоторое число полюсов. В первом случае ограничение пускового тока при включении части параллельных ветвей происходит благодаря увеличению индуктивных сопротивлений рассеяния. Этомусопутствует снижение пускового момента. При включении параллельной ветви, охватывающей только одну группу полюсов, происходит уменьшение тока и момента, пропорциональное числу включенных ветвей, и двигатель ведет себя, как машина меньшей мощности.

Перспективным направлением в настоящее время является пуск на пониженное напряжение через тиристорный регулятор напряжения или через, так называемые, устройства плавного пуска. Действительно, пуск на пониженное напряжение позволяет ограничить пусковой ток и решает первую проблему. Однако при пониженном напряжении приводной двигатель развивает меньший момент на валу, что приводит к увеличению длительности пуска и, практически, не приводит к уменьшению энергии, затрачиваемой при пуске.

Использование тиристорных возбудителей для пуска синхронных электродвигателей. Слабым местом большинства электроприводов с синхронными двигателям, значительно усложняющим эксплуатацию и повышающим затраты, многие годы являлся электромашинный возбудитель. В настоящее время широкое распространение для возбуждения синхронных двигателей находят тиристорные возбудители. Они поставляются в комплектном виде.

Тиристорные возбудители синхронных электродвигателей более надежны и имеют более высокийк.п.д. по сравнению с электромашинными возбудителями. С их помощью легко решаются вопросы оптимального регулирования тока возбуждения для поддержания постоянства cosφ, напряжения на шинах, от которых питается синхронный двигатель, а также ограничение токов ротора и статора синхронного двигателя в аварийных режимах.

Тиристорными возбудителями комплектуется большинство выпускаемых крупных синхронных электродвигателей. Они выполняют обычно следующие функции:

· пуск синхронного двигателя с включенным в цепь обмотки возбуждения пусковым резистором,

· бесконтакное отключение пускового резистора после окончания пуска синхронного двигателя и защиту его от перегрева,

· автоматическую подачу возбуждения в нужный момент пуска синхронного электродвигателя,

· автоматическое и ручное регулирование тока возбуждения

· необходимую форсировку возбуждения при глубоких посадках напряжения на статоре и резких набросах нагрузки на валу синхронного двигателя,

· быстрое гашение поля синхронного двигателя при необходимости снижения тока возбуждения и отключениях электродвигателя,

· защиту ротора синхронного двигателя от длительной перегрузки по току и коротких замыканий.

Если пуск синхронного электродвигателя производится на пониженное напряжение, то при «легком» пуске возбуждение подается до включения обмотки статора на полное напряжение, а при «тяжелом» пуске подача возбуждения происходит при полном напряжении в цепи статора. Возможно подключение обмотки возбуждения двигателя к якорю возбудителя последовательно с разрядным сопротивлением.

Процесс подачи возбуждения синхронному двигателю автоматизируется двумя способами: в функции скорости и в функции тока.

Современные высоковольтные статические преобразователи частоты, используемые для регулирования скорости и пуска синхронного двигателя, подразделяются на два вида с различными выходными характеристиками. Первый выполнен на основе системы автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией (АИН – ШИМ) и обладает свойствами источника напряжения; второй обладает функциями источника тока и выполнен на основе автономного инвертора тока с широтно-импульсной модуляцией (АИТ-ШИМ). Отличительной особенностью АИН-ШИМ является наличие в цепи постоянного тока преобразователя емкостного фильтра, отличительной особенностью АИТ-ШИМ является наличие в цепи постоянного тока преобразователя индуктивного фильтра, а на выходе преобразователя емкостного фильтра.

Рисунок 3.3 – Автономный инвертор напряжения с управляемым выпрямителем

Автономный инвертор тока, преобразовывает постоянный ток, подаваемый на его вход, в пропорциональный по величине переменный ток. Режим источника тока на входе обеспечивается за счет большой индуктивности L и применения токостабилизирующей обратной связи, поддерживающей заданное значение тока Id з. АИТ выполнен по схеме с отсекающими диодами. Рекуперация энергии при торможении в АИТ возможна при сохранении направления тока за счет сдвига токов и напряжений, т.е. переводом АИТ в режим выпрямления за счет сдвига управляющих импульсов относительно фазныхЭДС электрической машины.

Рисунок 3.4 – Рекуперирующие двухзвенный преобразователь частоты на основе инверторов тока

Для нашей шаровой мельницы выбираем ВПЧС.

Преобразователи частоты ВПЧС для синхронного электропривода с тяжелыми условиями пуска.

Рисунок 3.5 – Схема преобразователи частоты ВПЧС

· Lвх, Lвых — токоограничивающие реакторы;

· Ld — сглаживающий реактор в звене постоянного тока;

· В — выпрямитель, И — инвертор, ТК — транзисторные коммутаторы.

ВПЧС – ряд средневольтных (6, 10 кВ) преобразователей частоты для работы с синхронными двигателями. Способность синхронной машины генерировать реактивную мощность позволяет использовать для синхронных электроприводов экономную структуру тиристорного преобразователя тока. Помимо того, что она экономна, структура эта еще и полнофункциональна; она позволяет не только ускорять или поддерживать движение, но и тормозить. Преобразователи другого типа, с широтно-модулированными инверторами напряжения, выполненные на мощных транзисторах IGBT в классе средних напряжений получаются гораздо более дорогими. Они удорожаются дополнительно, когда кроме ускорения требуется обеспечить и торможение тоже. ВПЧС выполнены по экономной структуре двухмостовоготиристорного преобразователя тока. Отличия от более ранних преобразователей этого типа:

· более широкомасштабное использование алгоритмических возможностей современной микропроцессорной техники для облегчения силового оборудования и улучшения эксплуатационных характеристик;

· ограниченное, в масштабах, не вредящих экономичности, применение мощных транзисторов с изолированным затвором IGBT для улучшения эксплуатационных характеристик.

Основные параметры ряда ВПЧС:

- напряжения 6 и 10 кВ;

- номинальные частоты 50 и 60 Гц;

- мощности 630, 800, 1600, 2000, 3150 кВт.

Преобразователи ряда строятся по унифицированной структуре, с унифицированным конструктивом и унифицированной системой управления.

Основные силовые блоки преобразователя - это тиристорный сетевой выпрямитель, сглаживающий реактор звена постоянного тока и тиристорный ведомый инвертор двигателя. Эти блоки осуществляют преобразование электрической энергии между сетью и двигателем. Термины «сетевой выпрямитель» и «ведомый инвертор двигателя» относятся к основному режиму, когда энергия передается черезпреобразователь от сети к двигателю (разгон или поддержание движения). Двухмостовая схема тиристорного преобразователя тока может работать и в инверсном режиме, когда энергия передается от двигателя в сеть (торможение). В инверсном режиме тиристорный мост инвертора переводится в режим выпрямителя, а сетевой тиристорный мост переводится в режим ведомого сетью инвертора. Преобразователи ВПЧС (как и другие преобразователи на основе двухмостовойтиристорной схемы преобразователя тока) могут осуществлять не только разгон и регулирование скорости вращения, но и торможение электроприводов с большим моментом инерции. В аппаратуре управления ВПЧС заложена возможность автоматического перехода к режиму торможения.