СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭКСКАВАТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕКУПЕРИРОВАННОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2024 года по МПК E02F9/20 

Предлагаемое изобретение относится к электрооборудованию горнодобывающих машин и предназначено для использования в низковольтных комплектных устройствах карьерных экскаваторов.

Известны системы электропитания электрооборудования экскаватора с использованием рекуперированной энергии, содержащие устройство высоковольтного ввода с двумя группами последовательно соединенных разъединителя и контактора, понижающий трансформатор электропитания собственных нужд с подключенным к его вторичной обмотке вспомогательным электрооборудованием, понижающий главный трансформатор, подключенные к его выходной обмотке последовательно соединенные реактор и выпрямитель, подключенные к выходным шинам постоянного тока выпрямителя транзисторные преобразователи, к выходам которых подключены двигатели подъема, напора, поворота и хода, транзисторный ключ, первый вывод которого подключен к одной из шин постоянного тока, а второй через резистор аварийного сброса соединен с второй шиной постоянного тока, суперконденсатор, датчики токов двигателей и датчик выходного напряжения выпрямителя, подключенные выходами к входам контроллера (Патент РФ №2433520, МПК Н02Р 5/46; Е02А 9/20. - Опубл. 10.11.2011. Бюлл. №31; Pat. US №8499902 В2. Date of Patent 6 Aug. 2013).

В известных технических решениях, использующих суперконденсаторы, происходит накопление энергии в суперконденсаторе при работе приводов в режиме рекуперации и ее использование в режиме максимальной нагрузки главных приводов. Это позволяет уменьшить пиковые нагрузки при работе экскаватора. При этом при малых нагрузках энергия, накопленная в суперконденсаторе, не используется. В результате снижается эффективность использования рекуперированной энергии.

Следовательно, недостаток известных систем электропитания электрооборудования экскаватора с использованием рекуперированной энергии -низкая эффективность использования рекуперированной энергии.

Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является система электропитания электрооборудования экскаватора с использованием рекуперированной энергии, содержащая устройство высоковольтного ввода с двумя группами последовательно соединенных разъединителя и контактора, понижающий трансформатор электропитания собственных нужд с подключенным к его вторичной обмотке вспомогательным электрооборудованием, понижающий главный трансформатор, подключенные к его выходной обмотке последовательно соединенные реактор и активный выпрямитель, подключенные к выходным шинам постоянного тока активного выпрямителя инверторы напряжения, к выходам которых подключены статорные обмотки двигателей переменного тока подъема, напора, поворота и хода, первый транзисторный ключ, первый вывод которого подключен к одной из шин постоянного тока, а второй через резистор аварийного сброса соединен с второй шиной постоянного тока, суперконденсатор, подключенный к выходу активного выпрямителя через второй транзисторный ключ, датчики выходных токов инверторов напряжения и датчик выходного напряжения активного выпрямителя, подключенные выходами к входам контроллера, выходы которого подключены к управляющим входам второго и первого транзисторных ключей (Pat. US №8174225 В2. Date of Patent 8 May 2012).

В известном техническом решении при рекуперации энергии при работе главных приводов, а именно, торможении привода поворота или опускании ковша, происходит накопление энергии в суперконденсаторе. Суперконденсатор заряжается до определенного максимального напряжения для аккумулирования энергии. При отсутствии напряжения в питающей сети энергия, накопленная в суперконденсаторе, используется для электропитания вспомогательных нагрузок экскаватора. Это позволяет увеличить надежность и живучесть экскаватора. При этом при нормальной работе экскаватора энергия, накопленная в суперконденсаторе, не используется. В результате снижается эффективность использования рекуперированной энергии.

Таким образом, недостаток известной системы электропитания электрооборудования экскаватора с использованием рекуперированной энергии - низкая эффективность использования рекуперированной энергии.

Цель предполагаемого изобретения - повышение эффективности использования рекуперированной энергии на экскаваторе.

Поставленная цель достигается тем, что в известной системе электропитания электрооборудования экскаватора с использованием рекуперированной энергии, содержащая устройство высоковольтного ввода с двумя группами последовательно соединенных разъединителя и контактора, понижающий трансформатор электропитания собственных нужд с подключенным к его вторичной обмотке вспомогательным электрооборудованием, понижающий главный трансформатор, подключенные к его выходной обмотке последовательно соединенные реактор и активный выпрямитель, подключенные к выходным шинам постоянного тока активного выпрямителя инверторы напряжения, к выходам которых подключены статорные обмотки двигателей переменного тока подъема, напора, поворота и хода, первый транзисторный ключ, первый вывод которого подключен к одной из шин постоянного тока, а второй через резистор аварийного сброса соединен с второй шиной постоянного тока, суперконденсатор, подключенный к выходу активного выпрямителя через второй транзисторный ключ, датчики выходных токов инверторов напряжения и датчик выходного напряжения активного выпрямителя, подключенные выходами к входам контроллера, выходы которого подключены к управляющим входам второго и первого транзисторных ключей, дополнительно введен инвертор, ведомый сетью, вход которого подключен к суперконденсатору, а выход объединен с вторичной обмоткой трансформатора собственных нужд.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки:

- инвертор, ведомый сетью;

- вход инвертора подключен к суперконденсатору, а выход объединен с вторичной обмоткой трансформатора собственных нужд.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предполагаемого изобретения повышается эффективность использования рекуперированной энергии при работе карьерного экскаватора. Это обеспечивается использованием суперконденсатора в качестве емкостного накопителя. При режиме рекуперации происходит преобразование кинетической энергии движущихся масс в электрическую энергию с помощью электрических машин главного движения. При этом происходит заряд суперконденсатора, т.е. накопление электрической энергии. Накопленная энергия непрерывно используется для электропитания электрооборудования собственных нужд экскаватора. Так как в современных экскаваторах в цикле работы энергия рекуперации составляет от 10% до 30% от потребляемой энергии, а потребление энергии собственными нуждами составляет 20%…25% от потребляемой энергии, то применение суперконденсатора в качестве емкостного накопителя позволяет существенно повысить энергетические характеристики экскаватора. При этом существенно повышается эффективность использования рекуперированной энергии.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, электропривода и горных машин.

Признаки:

- инвертор, ведомый сетью;

- вход инвертора подключен к суперконденсатору, а выход объединен с вторичной обмоткой трансформатора собственных нужд,

в известных устройствах аналогичного назначения не обнаружены.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежом на фиг. 1, на котором в качестве примера показана упрощенная типовая функциональная схема одноковшового экскаватора, поясняющая работу системы электропитания главных приводов экскаватора на примере экскаватора ЭКГ-18Р. Схемы других отечественных экскаваторов аналогичные. На чертеже обозначено: 1 - питающая электрическая сеть; 2 - устройство высоковольтного ввода, содержащее два разъединителя 3 и 4 и два контактора 5 и 6; 7 - главный понижающий трансформатор; 8 - реактор; 9 - активный выпрямитель; 10 - трансформатор электропитания собственных нужд экскаватора; 11 - конденсатор; 12 - электрооборудование собственных нужд; 13 - датчик напряжения на выходе активного выпрямителя (звена постоянного тока); 14-20 - инверторы напряжения (транзисторные мостовые преобразователи с широтно-импульсным регулированием); 21-27 двигатели приводов: подъема МН1 - 21 и МН2 - 22; напора МС - 23; поворота MS1 - 24 и MS2 - 25; хода MP1 - 26 и МР2 - 27; 28 - контроллер; 29 - инвертор, ведомый сетью; 30 - датчики выходных токов инверторов напряжения; 31 - суперконденсатор; 32 - второй транзисторный ключ; 33 - первый транзисторный ключ; 34 - резистор аварийного сброса. Диаграммы процессов в системе электропитания электрооборудования экскаватора показаны на фиг. 2. На фиг. 2а приведена диаграмма суммарной активной мощности карьерного экскаватора при циклической работе. Положительные значения мощности соответствуют потреблению энергии, отрицательные - рекуперации (на чертеже область мощности рекуперации заштрихована). На фиг. 2б показана диаграмма напряжения на суперконденсаторе 31.

Электропитание экскаватора осуществляется от сети 1 напряжением 6 кВ. Устройство высоковольтного ввода 2 предназначено для подключения электрооборудования к питающей электрической сети. Последовательно соединенные разъединитель 3 и контактор 5 предназначены для подключения главного понижающего трансформатора 7. Вторичная обмотка главного понижающего трансформатора 7 через реактор 8 подключена к входу активного выпрямителя 9. Последовательно соединенные разъединитель 4 и контактор 6 предназначены для подключения понижающего трансформатора 10 электропитания собственных нужд напряжением 380 В.

Три электропривода главного движения экскаватора (напора, подъема и поворота) и электропривод хода выполнены по системе активный выпрямитель - инвертор напряжения - двигатель переменного тока (асинхронный двигатель). В системе приводов главного движения используется локальная сеть постоянного тока, организованная с использованием активного выпрямителя 9 и конденсатора 11. Выходное напряжение в локальной сети постоянного тока поддерживается постоянным с помощью активного выпрямителя 9.

Управление двигателями главных приводов (подъема 21 и 22, напора 23, поворота 24 и 25 и хода 26 и 27) осуществляется с помощью транзисторных инверторов напряжения 14…20. Цепь, состоящая из первого транзисторного ключа 33 с резистором 34, предназначена для аварийного сброса энергии заряженного конденсатора 11 при недопустимом повышении на нем напряжения при рекуперации.

Датчики 30 (группа идентичных датчиков тока изображена в виде модуля 30) предназначены для измерения выходных токов инверторов, питающих двигатели приводов (подъема, напора, поворота и хода). Сигналы с их выходов поступают на входы контроллера 28. Напряжение в звене постоянного тока измеряется с помощью датчика напряжения 13, выходной сигнал которого действует на входе контроллера 28.

Суперконденсатор 31 подключен к выходным шинам активного выпрямителя через транзисторный ключ 32. Вход инвертора, ведомого сетью, 29 подключен к суперконденсатору, а выход объединен с вторичной обмоткой трансформатора электропитания вспомогательного электрооборудования.

Циклическая работа приводов экскаватора включает опускание ковша, черпание горной массы, подъем ковша, поворот, выгрузку ковша и поворот с опусканием ковша в забой. При этом происходит как потребление энергии приводами из питающей сети, так и преобразование механической энергии в электрическую энергию, осуществляющую заряд конденсаторов.

Суперконденсатор 31 выполняет функцию промежуточного накопителя энергии, его заряд происходит током рекуперации. Контроллер 28 выполняет определение знака суммарного тока инверторов 14…20 и при обнаружении процесса рекуперации формирует сигнал управления транзисторным ключом 32. Заряд суперконденсатора 31 током рекуперации приводит к увеличению напряжения на нем на величину

,

где С - емкость суперконденсатора; τ - длительность процесса рекуперации; i(t) - ток рекуперации.

При этом в системе приводов экскаватора возможно потребление энергии одним приводом и рекуперация другим, например, при одновременном повороте и опускании ковша. В этом случае происходит обмен энергией между приводами, т.е. внутреннее использование рекуперированной энергии. В предлагаемом устройстве контроллер 28 определяет полную сумму токов рекуперации. В этом случае заряд суперконденсатора не происходит.

Постоянное не стабилизированное напряжение на суперконденсаторе 31 преобразуется в трехфазное стабилизированное напряжение с помощью инвертора 29, ведомого сетью. Сетью в данном случае является вторичная обмотка трансформатора 10 электропитания собственных нужд. Таким образом, электропитание электрооборудования собственных нужд получает энергию от двух источников - трансформатора 10 электропитания собственных нужд и инвертора 29, ведомого сетью. В режиме рекуперации энергия (показанная штриховкой на фиг.1) поступает в суперконденсатор 31. В режиме потребления накопленная в суперконденсаторе энергия используется электрооборудованием собственных нужд.

Расчетным путем и экспериментально установлено, что в карьерных экскаваторах в цикле работы энергия рекуперации составляет от 10% до 30% от потребляемой машиной энергии, а потребление энергии собственными нуждами составляет 20%…25% от потребляемой энергии (Malafeev S.I., Malafeev S.S. Investigation of Electric Power Processes During Mining Excavator Operation. Published in: 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). Date of Conference: 25-29 March 2019. Pp. 1-6, 2019. DOI: 10.1109/ICIEAM.2019.8743002). Поэтому накопление рекуперированной энергии в суперконденсаторе позволяет обеспечить при работе экскаватора основное потребление энергии электрооборудованием собственных нужд. В результате этого снижается общее электропотребление в течение цикла, в том числе, уменьшаются пиковые нагрузки. При снижении или прекращении рекуперации электропитание собственных нужд экскаватора осуществляется от трансформатора 10. Благодаря этому повышается эффективность использования рекуперированной энергии.

Следовательно, использование в предлагаемой системе электропитания электрооборудования экскаватора с использованием рекуперированной энергии, содержащая устройство высоковольтного ввода с двумя группами последовательно соединенных разъединителя и контактора, понижающий трансформатор электропитания собственных нужд с подключенным к его вторичной обмотке вспомогательным электрооборудованием, понижающий главный трансформатор, подключенные к его выходной обмотке последовательно соединенные реактор и активный выпрямитель, подключенные к выходным шинам постоянного тока активного выпрямителя инверторы напряжения, к выходам которых подключены статорные обмотки двигателей переменного тока подъема, напора, поворота и хода, первый транзисторный ключ, первый вывод которого подключен к одной из шин постоянного тока, а второй через резисторы аварийного сброса соединен с второй шиной постоянного тока, суперконденсатор, подключенный к выходу активного выпрямителя через второй транзисторный ключ, датчики выходных токов инверторов напряжения и датчик выходного напряжения активного выпрямителя, подключенные выходами к входам контроллера, выходы которого подключены к управляющим входам второго и первого транзисторных ключей, дополнительно инвертора, ведомого сетью, вход которого подключен к суперконденсатору, а выход объединен с вторичной обмоткой трансформатора собственных нужд, обеспечивает повышение энергетических характеристик экскаватора при различных режимах работы.

Использование предлагаемого технического решения на карьерных экскаваторах позволит повысить энергоэффективность работ в горной промышленности.

Изобретение относится к электрооборудованию горнодобывающих машин и предназначено для использования в низковольтных комплектных устройствах карьерных экскаваторов. Электроприводы главного движения экскаватора (напора, подъема и поворота) и хода выполнены по системе активный выпрямитель - инвертор напряжения - двигатель переменного тока. Для электропитания приводов используется локальная сеть постоянного тока, организованная с использованием активного выпрямителя (9), выходное напряжение которого поддерживается постоянным. Суперконденсатор (31) выполняет функцию промежуточного накопителя энергии, его заряд происходит током рекуперации. Контроллер (28) выполняет определение знака суммарного тока инверторов (14…20) и при обнаружении процесса рекуперации формирует сигнал управления транзисторным ключом (32). Заряд суперконденсатора 31 током рекуперации приводит к увеличению напряжения на нем. Контроллер 28 определяет полную сумму токов рекуперации. Постоянное нестабилизированное напряжение на суперконденсаторе (31) преобразуется в трехфазное стабилизированное напряжение с помощью инвертора (29), ведомого сетью. Сетью в данном случае является вторичная обмотка трансформатора (10) электропитания собственных нужд. Электрооборудование собственных нужд получает энергию от двух источников - трансформатора (10) инвертора (29), ведомого сетью. При реализации изобретения повышаются энергетические характеристики системы электропитания главных приводов во всех режимах работы экскаватора. 2 ил.

Система электропитания электрооборудования экскаватора с использованием рекуперированной энергии, содержащая устройство высоковольтного ввода с двумя группами последовательно соединенных разъединителя и контактора, понижающий трансформатор электропитания собственных нужд с подключенным к его вторичной обмотке вспомогательным электрооборудованием, понижающий главный трансформатор, подключенные к его выходной обмотке последовательно соединенные реактор и активный выпрямитель, подключенные к выходным шинам постоянного тока активного выпрямителя инверторы напряжения, к выходам которых подключены статорные обмотки двигателей переменного тока подъема, напора, поворота и хода, первый транзисторный ключ, первый вывод которого подключен к одной из шин постоянного тока, а второй через резистор аварийного сброса соединен с второй шиной постоянного тока, суперконденсатор, подключенный к выходу активного выпрямителя через второй транзисторный ключ, датчики выходных токов инверторов напряжения и датчик выходного напряжения активного выпрямителя, подключенные выходами к входам контроллера, выходы которого подключены к управляющим входам второго и первого транзисторных ключей, отличающаяся тем, что дополнительно введен инвертор, ведомый сетью, вход которого подключен к суперконденсатору, а выход объединен с вторичной обмоткой трансформатора собственных нужд.