RU2790609C1

RU2790609C1 - Electric diesel generator station for mining machines

Info

Publication number: RU2790609C1
Application number: RU2022118950A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Малафеев
Original assignee: Сергей Иванович Малафеев
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2023-02-28

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention is intended for use in autonomous power plants that provide power to the drive systems of mining machines, having a power commensurate with the source. The device comprises a diesel engine (1) with a speed controller (2); a synchronous generator (3) with an excitation current controller (4); a three-phase frequency converter (5); current (6) and voltage (8) sensors; a controller (7); a setting block (9); switchgear (10) with first (11) and second (12) switching devices; first (13) and second (14) cables. The electrical equipment of the transported mining machine (15) comprises a driving asynchronous motor (16) and an auxiliary transformer (17). The electrical equipment of the mining machine's own needs in all operating modes is powered by a stabilized source – a three-phase frequency converter (5). This ensures reliable operation of all control systems of the transported mining machine. The start of the asynchronous motor (16) occurs with simultaneous regulation of the frequency and voltage of the synchronous generator (3). In case of frequency start, the current and power consumed from the diesel generator station are limited. In the haul mode at reduced load of the driving asynchronous motor, the frequency and voltage of the synchronous generator are reduced in order to reduce power and increase the energy efficiency of the diesel generator station.

EFFECT: increasing the reliability of electrical equipment and the energy efficiency of a diesel generator station when transporting mining machines with driving asynchronous motors, such as electro-hydraulic excavators.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в автономных энергетических установках, обеспечивающих электропитание приводных систем горных машин, имеющих соизмеримую с источником мощность.The invention relates to electrical engineering and is intended for use in autonomous power plants that provide power to the drive systems of mining machines, having a power commensurate with the source.

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).Known electric diesel generator stations for hauling mining machines, containing a diesel engine with a speed controller, the shaft of the diesel engine is connected to the rotor of a synchronous generator, the output of which is connected through a switching device and a cable to the electrical equipment of the driven mining machine, the excitation current regulator of the synchronous generator connected by the output to the excitation winding of the synchronous motor, the controller, the inputs of which are connected to the outputs of the current and voltage sensors of the synchronous generator, and the outputs are connected to the inputs of the excitation current regulator of the synchronous generator (RF Patent No. 02; E02F 7/02; E02F 9/20. A method of controlling electrical equipment when driving an excavator. - S. I. Malafeev, N. A. Serebrennikov. - Published 26.10.2018. Bulletin No. 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 Conf erence 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.Known electric diesel generator stations for hauling mining machines provide power to mining excavators and drilling rigs with a voltage of 6 kV, a frequency of 50 Hz. The electrical equipment of such mining machines contains power step-down transformers and DC or AC electric drives (Malafeev S.I., Konyashin V.I., Novgorodov A.A. Excavator EKG-20: a new technical solution for the mechatronic complex // Coal, 2019, No. 7 , pp. 4-7 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-7-4-7). The regulation of electric energy flows with limited power of the diesel generator station is carried out by the control systems of the drives of the mining machine.

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.Electro-hydraulic excavators contain high power asynchronous drive motors. Connection of powerful asynchronous motors to diesel generator stations is regulated by GOST 33105-2014 (Interstate standard). Electric generator sets with internal combustion engines General technical requirements. M.: Standartinform, 2015. - 39 p. According to this document, electric generator sets of three-phase alternating current with a frequency of 50 Hz in an unloaded state must provide the ability to start asynchronous squirrel-cage electric motors with a starting current with a multiplicity of up to 7 of the nominal value and a power (as a percentage of the power of the electric generator set) of at least: 70 with a power of the electric generator set up to 60 kW; 60 with power generating set up to 100 kW; 50 with power generating set up to 500 kW; 35 with a power generating set up to 1000 kW. With an increase in the power of the connected motor or the presence of a mechanical load on its shaft, the start of the motor is not guaranteed.

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.When driving the excavator, only the drive drives work. Consequently, in the driving mode, the power supply units operate at reduced power and low efficiency. An increase in the power of a diesel generator station to ensure a guaranteed start of the drive asynchronous motor of an electrohydraulic excavator leads to a decrease in the energy efficiency of an electric diesel generator station for hauling mining machines.

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, электрогидравлическихThus, the disadvantage of the known electric diesel generator stations for hauling mining machines is the low energy efficiency of the haul of machines with drive asynchronous motors, for example, electro-hydraulic

экскаваторов.excavators.

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).Of the known devices, the closest to the proposed technical solution is an electric diesel generator station for hauling mining machines, containing a diesel engine with a speed controller, the shaft of the diesel engine is connected to the rotor of a synchronous generator, the output of which is connected through a switch and a cable to the stator windings of an asynchronous drive motor distilled mining machine, the excitation current regulator of the synchronous generator connected by the output to the excitation winding of the synchronous generator, the controller, the inputs of which are connected to the outputs of the current and voltage sensors of the synchronous generator, and the output is connected to the input of the excitation current regulator of the synchronous generator, and the setting unit (RF Patent No. 745179. SPK N02R 1/30. Method for controlling a diesel generator set when an asynchronous engine is turned on / S. I. Malafeev. - Publ. 22.03.2021. Bull. No. 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.Known electric diesel generator station provides power to mining machines with drive asynchronous motors with a voltage of 6 kV, frequency 50 Hz during the haul. When starting an asynchronous motor, the current increases and the output voltage of the synchronous generator decreases. In the event that the current and voltage deviation simultaneously exceed the specified threshold levels, the diesel engine speed controller reduces the speed of the diesel generator set to the set value and stabilizes it until the start of the asynchronous motor at a reduced frequency is completed. After reducing the current and reducing the voltage deviation to the specified levels, the diesel engine regulator smoothly increases the speed to the nominal value. The voltage of the synchronous generator is also increased to the nominal value. Thus, there is a frequency start of the motor at a limited current. When the drive motor is started, all other electrical equipment of the mining machine, including the control system, is connected to a power source of alternating voltage and frequency. This can lead to the operation of protections and shutdown of the unit. In addition, there is no possibility of increasing the energy efficiency of the running station by reducing the frequency in the running mode.

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.Thus, the disadvantage of the known electric diesel generator stations for hauling mining machines is the lack of reliability of electrical equipment and low energy efficiency when hauling machines with drive asynchronous motors, for example, electro-hydraulic excavators.

Цель предполагаемого изобретения - повышение надежности работы электрооборудования и энергетической эффективности при перегоне машин с приводными асинхронными двигателями, например, электрогидравлических экскаваторов.The purpose of the proposed invention is to improve the reliability of electrical equipment and energy efficiency when hauling machines with drive asynchronous motors, for example, electro-hydraulic excavators.

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.This goal is achieved by the fact that in a well-known electric diesel generator station for driving mining machines, containing a diesel engine with a speed controller, the shaft of the diesel engine is connected to the rotor of a synchronous generator, the output of which is connected through a switching device and a cable to the stator windings of an asynchronous drive motor driven by of a mining machine, a synchronous generator excitation current regulator connected by its output to the synchronous generator excitation winding, a controller whose inputs are connected to the outputs of the current and voltage sensors of the synchronous generator, and the outputs are connected to the inputs of the diesel engine speed regulator and the synchronous generator excitation current regulator, and a block task, a three-phase frequency converter is additionally introduced, the input of which is connected to the stator windings of the synchronous motor, and the output through the second switching device and the second cable is connected to the auxiliary transformer my mining machine, the output of the job block is connected to the input of the controller.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое устройство содержит следующие новые признаки:Compared with the closest similar technical solution, the proposed device contains the following new features:

- 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;- a three-phase frequency converter, the input of which is connected to the stator windings of the synchronous generator, and the output through the second disconnector and the second cable is connected to the auxiliary transformer of the distilled mining machine;

- второй кабель;- the second cable;

- выход блока задания подключен к входу контроллера. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».- the output of the task block is connected to the controller input. Therefore, the claimed technical solution meets the requirement of "novelty".

По каждому из отличительных признаков проведен поиск известных технических решений в области электротехники, электропривода и горной автоматики.For each of the distinguishing features, a search was made for known technical solutions in the field of electrical engineering, electric drive and mining automation.

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.A three-phase frequency converter, the input of which is connected to the stator windings of the synchronous generator, and the output through the second disconnector and the second cable is connected to the auxiliary transformer of the distilled mining machine, and the second cable was not found in technical solutions of a similar purpose.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».Thus, these features provide the claimed technical solution with the requirement of "significant differences".

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.When implementing the proposed technical solution, an increase in the reliability of the operation of electrical equipment and the energy efficiency of a diesel generator station is ensured when hauling mining machines with drive asynchronous motors, for example, electro-hydraulic excavators. The electrical equipment of the mining machine's own needs in all operating modes is powered by a stabilized source - a three-phase frequency converter. This ensures reliable operation of all control systems of the machine. The start of an asynchronous motor occurs with simultaneous regulation of the frequency and voltage of the synchronous generator. With frequency start, the current and power consumed from the diesel generator station are limited. In the haul mode at reduced load of the drive asynchronous motor, the frequency and voltage of the synchronous generator are reduced in order to reduce power and increase the energy efficiency of the diesel generator station.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».Therefore, the claimed technical solution meets the requirement of "positive effect".

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.The essence of the proposed invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a simplified diagram of an electric diesel generator set for hauling mining machines. In FIG. 1 marked: 1 - diesel engine; 2 - diesel engine speed controller; 3 - synchronous generator; 4 - excitation current regulator of the synchronous generator; 5 - three-phase frequency converter; 6 - current sensor; 7 - controller; 8 - voltage sensor; 9 - task block; 10 - switchgear; 11 and 12 - the first and second switching devices; 13 and 14 - the first and second cables; 15 - electrical equipment of the distilled mining machine; 16 - drive asynchronous motor; 17 - auxiliary transformer.

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.In an electric diesel generator station for driving mining machines, containing a diesel engine 1 with a speed controller 2, the shaft of the diesel engine 1 is connected to the rotor of a synchronous generator 3, the output of which is connected through a switching device 11 and a cable 13 to the stator windings of the asynchronous drive motor 16 of the driven mining machine 15, the excitation current controller of the synchronous generator 4 is connected with the output to the excitation winding of the synchronous generator 3, the inputs of the controller 7 are connected to the outputs of the current sensors 6 and voltage 8 of the synchronous generator, and the task unit 9, and the outputs are connected to the inputs of the speed controller 2 of the diesel engine 1 and the excitation current controller 4 of the synchronous generator 3, the input of the frequency converter 5 is connected to the stator windings of the synchronous motor 3, and the output through the second switching device 12 and the second cable 14 is connected to the auxiliary transformer 17 of the distilled mining machine 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.Diesel engine 1 rotates the shaft of synchronous generator 3. Controller 7 generates command signals to control the excitation current of synchronous generator 3 and the speed of diesel engine 1. Regulation of the excitation current of synchronous generator 3 is carried out according to the output voltage stabilization algorithm using the excitation current controller 4. Speed control diesel engine 1 is made using the frequency controller 2 in accordance with the signal generated by the controller 7.

Контроллер 7 выполняет следующие функции:Controller 7 performs the following functions:

- обработку сигналов, поступающих с выходов датчиков тока 6 и напряжения 8 и блока задания 9;- processing of signals coming from the outputs of the current sensors 6 and voltage 8 and the job block 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;- comparison of the current values of the voltage and frequency of the synchronous generator 3 with the values specified using the job block 9 and the load current with the allowable maximum value;

- формирование сигнала задания для регулятора частоты вращения дизельного двигателя 2 в зависимости от разности заданного и текущего значений частоты выходного напряжения синхронного генератора 3;- generation of a task signal for the speed controller of the diesel engine 2 depending on the difference between the set and current values of the frequency of the output voltage of the synchronous generator 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.- formation of a reference signal for the excitation current controller 4 of the synchronous generator 3 depending on the difference between the set and current values of the output voltage of the synchronous generator 1 and the current value of the load current of the synchronous generator 3.

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_н вращения вала дизельного двигателя 1 и напряжения синхронного генератора 3 на уровне номинального значения U_H. 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.The operation of an electric diesel generator station for hauling mining machines is as follows. In the initial state, the controller 7 generates signals for the speed controller 2 and the excitation current controller of the synchronous generator 3. In this case, the nominal frequency n _n of the shaft rotation of the diesel engine 1 and the voltage of the synchronous generator 3 are maintained at the nominal value U _H . The frequency converter 5, connected to the stator windings of the synchronous generator 3, generates at the output a stabilized three-phase voltage of the rated frequency, for example, 6 kV, 50 Hz. The current of the synchronous generator 3 has a value due to the additional load connected to its stator windings and the operation of the frequency converter 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.The stator winding of the synchronous generator 3 through the switching device 11 of the switchgear 10 and the first cable 13 is connected to the drive asynchronous motor 16 of the mining machine. The output of the frequency converter 5 through the switching device 12 of the switchgear 10 and the second cable 14 is connected to the auxiliary transformer 17 of the mining machine.

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_н или другого заданного значения n_з.When the drive asynchronous motor 16 is started, the controller 7 generates control signals for the speed controllers 2 of the diesel engine 1 and the excitation current of the synchronous generator 3 in accordance with the frequency start algorithm. At the same time, all electrical equipment of the mining machine's own needs is connected to the output of the three-phase frequency converter 5 through the auxiliary transformer 17. Therefore, the power supply of the system and control equipment of the mining machine is carried out with a stabilized voltage of 50 Hz. Start drive asynchronous motor 16 ends when the speed reaches the nominal n _n or other specified value n _C .

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 U₃ и частоты п₃ 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.In the driving mode of the mining machine, the controller 7 generates control signals for the speed controllers 2 of the diesel engine 1 and the excitation current of the synchronous generator 3 in accordance with the algorithm for maintaining the specified values of voltage U ₃ and frequency n ₃ , taking into account the ratio

Reducing the frequency of the supply voltage during the haul allows you to reduce the power consumed from the diesel generator station and increase the efficiency. Changing the frequency of the supply voltage is the most acceptable, efficient and perfect way of regulation, which allows for a stepless smooth change in the hydraulic, electrical and mechanical characteristics of the electric pump. In mining machines with an electro-hydraulic drive, a change in the rotational speed of the electric motor is accompanied by a change in the characteristics of the pump in accordance with the laws of similarity.

Производительность Q пропорциональна отношению частоты вращения:The performance Q is proportional to the speed ratio:

где Q₀ - производительность при номинальной частоте вращения n_н.where Q ₀ - performance at nominal speed n _n .

Манометрический напор Η пропорционален отношению частоты вращения в квадрате:The pressure head Η is proportional to the ratio of the rotational speed squared:

где Н₀ - манометрический напор при номинальной частоте вращения n_н.where H ₀ - manometric head at nominal speed n _n .

Потребляемая мощность Ρ пропорциональна отношению частоты вращения в кубе:The power consumption Ρ is proportional to the ratio of the speed cubed:

где Р₀ - мощность при номинальной частоте вращения n_н.where P ₀ - power at rated speed n _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.As can be seen from the above similarity formulas, a slight change in the shaft speed is accompanied by significant changes in power consumption. For example, a centrifugal pump operating on a 50 Hz mains supply, with an engine speed of 1470 rpm, when the mains frequency decreases to 40 Hz, will reduce the speed, respectively, to 1176 rpm and productivity by 20%. At the same time, in accordance with the laws of similarity, energy consumption will be reduced by 50%. The power of a diesel engine decreases with frequency reduction in proportion to the rotational speed, i.e. by 20%. The efficiency of the pumping unit decreases with a decrease in flow almost in proportion to the flow. For example, when the flow rate is reduced by 2 times, the efficiency of the pumping unit is also reduced by 2 times. When the unit is running at a reduced frequency, the efficiency is reduced by several percent.

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.When driving a mining machine at a reduced frequency of the supply voltage, all electrical equipment of the mining machine’s auxiliary needs is connected to the output of a three-phase frequency converter 5 through an auxiliary transformer 17. The power supply of the system and control equipment of the mining machine is carried out with a stabilized voltage of 50 Hz, regardless of the change in the frequency of the synchronous generator.

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.For example, the EX3600 excavator weighing 336 τ has a 1300 kW drive asynchronous motor. To drive a car along a road without a slope at a speed of 2 km/h, a source power of 440 kW is required. When going uphill with a slope of 30 degrees at a speed of 1 km/h, a power of 650 kW is required (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). For driving an excavator at a reduced frequency, it is possible to use a diesel generator station with a capacity of 900 ... 1000 kW.

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.Thus, the proposed device provides a frequency start of an asynchronous motor and driving a mining machine with a limited power of the diesel generator set. As a result of this, an increase in the reliability of the operation of electrical equipment and energy efficiency is ensured when hauling machines with drive asynchronous motors, for example, electro-hydraulic excavators.

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:In order to confirm the positive effect achieved when using the proposed technical solution, a simulation of the operation of a diesel generator set was performed when an asynchronous motor was turned on, the power of which was commensurate with the power of the generator, using MATLAB. When modeling, we used:

- дизельный двигатель 12M26G1000/5 с параметрами: мощность 820 кВт; номинальная частота 1500 об/мин;- diesel engine 12M26G1000/5 with parameters: power 820 kW; rated frequency 1500 rpm;

- 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⋅м²;- synchronous generator SG2-750/6.3-4UZ with parameters: rated power 750 kW; rated voltage 6300 V; rated current 86 A; Efficiency 94.3%; rotation speed 1500 rpm; moment of inertia of the rotor 44 kg⋅m 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⋅м².- A4-450X-4MUZ asynchronous motor with parameters: rated power 800 kW; rated voltage 6000 V; stator rated current 72.5 A; synchronous rotation speed 1450 rpm; Efficiency 94.3%; ratio of maximum torque to nominal 2.3; starting current ratio 5.5; flywheel moment of the rotor 84 kg⋅m 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_д=0,2Ω².In a Simulink model built according to the diagram shown in Fig. 1, the mechanical load moment of the motor depends on the angular velocity Ω of the induction motor 16 according to the equation M _d =0.2Ω ² .

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.In FIG. 2 shows oscillograms for the effective value of the current I of the synchronous generator 3; effective value of line voltage U and frequency ƒ at the output of synchronous generator 3; angular velocity Ω of the induction motor 16; mechanical power Ρ of the asynchronous motor 15.

В начальный момент времени t₀=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 t₁=10 с происходит резкое увеличение тока нагрузки и снижение выходного напряжения синхронного генератора 3. В момент времени t₂≈22,0 с происходит пуск асинхронного двигателя 16 на частоте ƒ=25 Гц. В момент времени t₃=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 t₄≈45 с). Одновременно контроллер 7 формирует сигнал управления для регулятора тока возбуждения 4, устанавливающий напряжение синхронного генератора 3 равным U=0,8U_н в соответствии с законом

Начиная с момента времени t₄≈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 t₄-t₅, t₅=70 с). При этом мощность приводного асинхронного двигателя Ρ≈400 кВт, т.е. 50% от номинальной мощности. В момент времени t₅ 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_н=5400 В. (момент времени t₆≈75 с). Начиная с момента времени t₆ асинхронный приводной двигатель 16 работает при частоте 45 Гц и развивает при этом мощность 530 кВт, т.е. 67% от номинальной мощности двигателя 16.At the initial time t ₀ =0, the diesel engine operates at a nominal frequency of 1500 rpm.

Automatic switching devices

11 and 12 are off. At this point in time, preparations begin to start the drive asynchronous motor of the distilled mining machine by reducing the rotational speed of the diesel engine 1. When starting the asynchronous motor 16 at the time t ₁ =10 s, there is a sharp increase in the load current and a decrease in the output voltage of the synchronous generator 3. At the moment time t ₂ ≈22.0 s, the asynchronous motor 16 is started at a frequency ƒ=25 Hz. At the time t ₃ =30 with the controller 7 generates a control signal for the controller 2 speed of the diesel engine 1, resulting in an increase in the speed to a value of n=1200 rpm (time t ₄ ≈45 s). At the same time, the controller 7 generates a control signal for the excitation current controller 4, which sets the voltage of the synchronous generator 3 equal to U=0.8U _n in accordance with the law

Starting from the time t ₄ ≈45 s, the rotation controller 2 stabilizes the speed of the diesel engine 1 at the level of n=1200 rpm and the output voltage of the synchronous generator at the level of U=4800 V. As a result, the drive asynchronous motor 16 operates at a reduced frequency ƒ =40 Hz and voltage U=4800 V (time interval t ₄ -t ₅ , t ₅ =70 s). At the same time, the power of the drive asynchronous motor is Ρ≈400 kW, i.e. 50% of rated power. At time t ₅ controller 7 generates control signals for speed controller 2 of diesel engine 1 and excitation current controller of synchronous generator 4, resulting in an increase in the speed of the diesel engine up to the value n=1350 rpm and the voltage of the synchronous generator up to the value U=0 ,9U _n \u003d 5400 V. (time t ₆ ≈75 s). Starting from time t _6, the asynchronous drive motor 16 operates at a frequency of 45 Hz and develops a power of 530 kW, i.e. 67% of motor rated power 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.Thus, reducing the frequency and voltage of the synchronous generator when driving a mining machine with a drive asynchronous motor makes it possible to reduce the power to the level necessary for the operation of the travel drive while maintaining a high efficiency of the hydraulic drive system.

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.When hauling excavators-mechanics and drilling rigs with a voltage of 6 kV at a frequency of 50 Hz, the electrical equipment of which contains power step-down transformers and electric drives of direct or alternating current, in the haul mode, the controller 7 sets the reference signals for the speed controller 2 of the diesel engine and the excitation current controller of the synchronous generator 3 , providing the generator output voltage of 6 kV and a current frequency of 50 Hz. In this case, the flow of electrical energy is regulated by the control systems of the drives of the mining machine.

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.Therefore, the use in a known electric diesel generator station for driving mining machines, containing a diesel engine with a speed controller, the shaft of the diesel engine is connected to the rotor of a synchronous generator, the output of which is connected through a switching device and a cable to the stator windings of the asynchronous drive motor of the driven mining machine, excitation current controller of the synchronous generator connected by its output to the excitation winding of the synchronous generator, a controller whose inputs are connected to the outputs of the current and voltage sensors of the synchronous generator, and the outputs are connected to the inputs of the diesel engine speed controller and the excitation current controller of the synchronous generator, and a setting unit, additionally three-phase frequency converter, the input of which is connected to the stator windings of the synchronous motor, and the output through the second switching device and the second cable is connected to the auxiliary transformer of the distilled mining machine s, the output of the task block is connected to the input of the controller, it provides an increase in the reliability of the operation of electrical equipment and energy efficiency when driving machines with drive asynchronous motors.

Использование предлагаемого способа в промышленных системах электроприводов с автономными системами электроснабжения будет способствовать повышению энергетической эффективности, надежности и качества работы электрооборудования.The use of the proposed method in industrial electric drive systems with autonomous power supply systems will improve energy efficiency, reliability and quality of electrical equipment.

Claims

Electric diesel generator station for driving mining machines, containing a diesel engine with a speed controller, a diesel engine shaft connected to the rotor of a synchronous generator, the output of which is connected through a switching device and a cable to the stator windings of the asynchronous drive motor of the driven mining machine, the excitation current regulator of the synchronous generator connected by output to the excitation winding of the synchronous generator, the controller, the inputs of which are connected to the outputs of the current and voltage sensors of the synchronous generator, and the outputs are connected to the inputs of the diesel engine speed controller and the excitation current controller of the synchronous generator, and the setting unit, characterized in that it is additionally introduced three-phase frequency converter, the input of which is connected to the stator windings of the synchronous generator, and the output through the second switching device and the second cable is connected to the auxiliary transformer of the distilled mining machine, the output of the block task is connected to the controller input.