Полный текст

Введение Сегодня на крупных горных предприятиях в процессе проектирования систем электроснабжения инженеры вынуждены сталкиваться с исследованием не только статических режимов работы электродвигателей, но и переходных. В процессе эксплуатации асинхронных (АД) и синхронных (СД) двигателей на крупных горных предприятиях может нарушаться устойчивость их нормального режима работы. Чтобы обеспечить их устойчивость в случае ответственных электроустановок при кратковременной потере напряжения питания применяется самозапуск электродвигателей [1]. Несмотря на большое количество публикаций по данной тематике, их анализ показал, что исследования самозапуска электродвигателей не потеряли своей актуальности [2-10, 12, 15-17, 19-22]. В данной статье рассмотрен процесс группового самозапуска СД, подключенных к смежным шинам с двумя источниками питания. В выполненном ранее исследовании [11] рассмотрен самозапуск только с применением асинхронного пуска, без учета управления системой возбуждения СД. Новизна исследований в данной работе обусловлена тем, что в развитие работы [11] здесь рассмотрено влияние на процесс самозапуска СД длины и сопротивления линии электропередачи (ЛЭП), а также системы управления возбуждением СД. Целью проведенных исследований является комплексная оценка влияния вышеуказанных параметров на качество переходных процессов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: оценить влияние системы управления возбуждением СД на восстановление нормального режима работы СД; оценить влияние времени срабатывания защиты и длины ЛЭП на восстановление нормального режима работы СД. В качестве объекта исследования был взят явнополюсный СД типа СДН 14-44-10У3 (Рном = 630 кВт, Uном = 6 кВ, соsφном = 0,9), который распространен на крупных горных предприятиях как привод вентилятора главного проветривания. 1. Модель синхронного двигателя В данной статье задача моделирования систем электропривода с синхронным двигателями реализуется в среде Simulink математического пакета MatLab [13, 14, 18]. Подробно все допущения рассмотрены в работе [11]. В табл. 1 [23, 24] приведены необходимые параметры модели, полученные на основании паспортных данных явнополюсного двигателя типа СДН 14-44-10У3. Таблица 1 Параметры модели СДН 14-44-10У3 Обозначение параметра Название параметра Значение параметра Номинальное напряжение двигателя 6 кВ Номинальная полная мощность двигателя 700 кВА Коэффициент мощности двигателя 0,9 Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси 0,94 о.е Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси 0,63 о.е Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси 0,3 о.е Сверхпереходное индуктивное сопротивление по поперечной оси 0,28 о.е Переходная постоянная времени при разомкнутой обмотке статора 0,72 с Сверхпереходная постоянная времени при замкнутой обмотке статора 0,37 с Активное сопротивление статора 0,026 о.е Индуктивность рассеяния демпферной обмотки по оси d 0,188 о.е Индуктивность рассеяния демпферной обмотки по оси q 0,104 о.е Индуктивность рассеяния обмотки возбуждения 0,37 о.е Активное сопротивление обмотки возбуждения 0,22 о.е 2. Модели систем управления возбуждением синхронного двигателя Исследование работ систем управления возбуждением показало, что встроенные модели статических систем возбуждения генераторов в среде Simulink имеют ряд недостатков [25, 26]. В связи с этим было принято решение реализовать следующие модели систем возбуждения в среде Simulink: одноконтурная система регулирования тока возбуждения СД и двухконтурная система регулирования реактивной мощности СД. Для реализации систем регулирования по току возбуждения и реактивной мощности в моделях применены блоки PID Controller, которые обеспечивают автоматическую настройку параметров соответствующего регулятора. Посредством блока PID Controller возможна реализация PID, PI, PD, P и I-регуляторов. Реализация модели системы электроснабжения с синхронными двигателями и контурами регулирования тока возбуждения в среде Simulink представлена на рис. 1 и 2. В состав схемы контура регулирования тока возбуждения входят следующие блоки: тиристорный возбудитель с коэффициентом усиления 30 и постоянной времени, равной 0,01 с.; пропорционально-интегральный регулятор тока возбуждения ; блок задания тока возбуждения Vf Source. Рис. 1. Модель системы электроснабжения с синхронными двигателями, содержащими контуры регулирования тока возбуждения Рис. 2. Модель системы регулирования тока возбуждения Реализация модели системы электроснабжения и контура регулирования реактивной мощности в среде Simulink представлена на рис. 3 и 4. Рис. 3. Модель системы электроснабжения с синхронными двигателями, содержащими контуры регулирования реактивной мощности Рис. 4. Модель системы регулирования реактивной мощности Система регулирования реактивной мощности СД выполнена двухконтурной с подчинённым регулированием координат. Внутренним контуром является контур регулирования тока возбуждения, аналогичный приведённому на рис. 2. Внешним контуром является контур регулирования реактивной мощности СД, включающий в себя I-регулятор реактивной мощности . Задание реактивной мощности осуществляется при помощи блока задания Vf Source. Обобщенная модель системы электроснабжения горного предприятия включает в себя следующие элементы (см. рис. 1-3): трехфазные источники питания напряжением 35 кВ, представленные блоками ВВОД 1 и ВВОД 2 и реализуемые с помощью блоков Three-Phase Source; высоковольтные выключатели, представленные блоками ВВС-35 II-20/630 и АВР, которые реализуются с помощью блоков Three-Phase Breaker; силовые трансформаторы представленные блоками ТДНС-16000/35/6 и реализуемые с помощью блоков Three-Phase Transformer (Two Widing); нагрузка на шинах 6 кВ, представленная блоками Load и реализуемая с помощью блоков Three-Phase Series RLC Load; измерительные приборы, представленные блоками Three-Phase V-I Measurment; осциллографы, представленные блоками Scope; явнополюсные СД, представленные элементами СДН-14-44-10У3, являющиеся блоками Synchronous Machine; блоки Exciter, которые являются блоками систем управления возбуждением. 3. Исследование самозапуска СД при потере питания Исследование самозапуска СД рассмотрено на примере аварийного отключения одного из источников питания вследствие аварии на подстанции (ВВОД 2) и переводе всей нагрузки на другой ввод (ВВОД 1). Кратковременная потеря напряжения реализуется следующим образом: ВВОД 2 обесточивается после начала работы СД на номинальной скорости с помощью блока ВВС-35 II-20/630 соответствующей линии, время срабатывания АВР и длина ЛЭП задаются различным для результатов исследования. При исследовании режима самозапуска на модели задаются следующие времена срабатывания защиты (АВР): = 0,1 с, = 0,3 с, = 0,5 с и длины линии электропередачи: Для удобства анализа переходных процессов величины на графиках заданы в о.е. За базисные значения приняты: номинальное напряжение внешнего электроснабжения ток статора скорость двигателя об/мин. Результаты экспериментов приведены в табл. 2. Анализ результатов опытов при наличии контура регулятора по току возбуждения показывает, что с увеличением времени срабатывания защиты от 0,1 до 0,3 с и длины ЛЭП время выхода СД на номинальную скорость после восстановления питания возрастает более чем 27 %, а при увеличении времени до 0,5 с наблюдается нарушение устойчивости. Анализ результатов в случае применения системы регулирования реактивной мощности, приведённой в табл. 2, показывает, что с увеличением времени срабатывания защиты от 0,1 до 0,5 с и длины ЛЭП время выхода СД на номинальную скорость после восстановления питания возрастает на 24 %, но нарушения устойчивости не наблюдается при = 0,5 с. Из табл. 2 видно, что с увеличением длины ЛЭП время, необходимое для восстановления режима работы СД, увеличивается в среднем на 4 % независимо от регулятора возбуждения. Таблица 2 Анализ результатов самозапуска № п/п Нарушение устойчивости 1 0,1 5 РТВ Нет 2,81 2 0,1 10 РТВ Нет 2,93 3 0,1 20 РТВ Нет 3,05 4 0,3 5 РТВ Нет 3,37 5 0,3 10 РТВ Нет 3,49 6 0,3 20 РТВ Нет 3,57 7 0,5 5 РТВ Да - 8 0,5 10 РТВ Да - 9 0,5 20 РТВ Да - 10 0,1 5 РРВ Нет 4,11 11 0,1 10 РРВ Нет 4,24 12 0,1 20 РРВ Нет 4,37 13 0,3 5 РРВ Нет 4,68 14 0,3 10 РРВ Нет 4,75 15 0,3 20 РРВ Нет 4,82 16 0,5 5 РРВ Нет 4,9 17 0,5 10 РРВ Нет 5 18 0,5 20 РРВ Нет 5,1 Примечание: 1) время восстановления питания, с; 2) лина ЛЭП, км; 3) система возбуждения (РТВ - регулятор тока возбуждения, РРВ - регулятор реактивной мощности); 4) время, за которое двигатель выходит на номинальную скорость после восстановления питания, с. На основании полученных данных можно сделать вывод, что в случае применения системы регулирования по реактивной мощности по сравнению с применением системы регулирования по току возбуждения требуется большее время, необходимое двигателю для восстановления нормального режима работы, в среднем на 40 %. Причём при перерывах питания, равных 0,5 с и более, не зафиксировано выпадения СД из синхронизма с системой регулирования по реактивной мощности в сравнении с СД и системой регулирования по току возбуждения. На рис. 5 и 6 приведены графики переходных процессов частоты вращения ротора и тока статора СД при наличии контура регулирования тока возбуждения СД для = 0,3 с и . Рис. 5. Графики изменения частоты вращения ротора и тока статора при = 0,3 с и для системы регулирования тока возбуждения Рис. 6. Графики изменения частоты вращения ротора и тока статора при = 0,5 с и для системы регулирования тока возбуждения На рис. 7 приведены графики переходных процессов частоты вращения ротора и тока статора СД при наличии контура регулирования реактивной мощности СД для = 0,3 с и . Рис. 7. Графики изменения частоты вращения ротора и тока статора при = 0,3 с и для системы регулирования реактивной мощности На графиках приведены зависимости изменения частоты вращения ротора и тока статора от времени для следующих режимов: пуск СД, номинальный режим работы СД, самозапуск СД при кратковременной потере питания, установившийся режим. Анализ графика изменения частоты вращения ротора и тока статора при наличии системы регулирования тока возбуждения (см. рис. 5) для заданных времен срабатывания защиты и длин линии электропередачи показывает, что при просадке напряжения питания существенно возрастает ток статора (более чем в 4 раза по сравнению с номинальным), а также имеет место просадка скорости СД. При увеличении времени срабатывания защиты до 0,5 с двигатель не выходит на номинальную скорость и выпадает из синхронизма независимо от заданной длины ЛЭП (см. рис. 6). Анализ переходных процессов при наличии системы регулирования реактивной мощности (см. рис. 7) для заданных времен срабатывания защиты и длин линии электропередачи показывает, что при просадке напряжения питания существенно возрастает ток статора, а также имеет место просадка скорости СД, Численные значения просадки скорости СД в случае применения контура по реактивной мощности в среднем в 2 раза больше, чем с системой регулирования по току возбуждения. Заключение Практическая значимость данной работы заключается в том, что выполненные исследования направлены на повышение надежности работы синхронных электроприводов. Полученные результаты рекомендуется использовать при проектировании систем электроснабжения горных предприятий, что позволит снизить отрицательные последствия кратковременного перерыва питания для синхронных электродвигателей. Основные выводы о проделанной работе: 1. С увеличением времени срабатывания защиты и длины ЛЭП от подстанции до СД возрастает время, необходимое двигателю для восстановления нормального режима работы, что, в свою очередь, при неконтролируемой ситуации может привезти к выпадению СД из синхронизма. 2. Ток статора возрастает с увеличением времени срабатывания защиты. При отключении от сети одного или группы двигателей на шинах подстанции растет остаточная ЭДС, и при этом ток, протекающий при самозапуске СД, может превышать пусковой ток более чем в 4 раза. 3. Системе регулирования по реактивной мощности нужно больше времени для восстановления нормального режима работы CД, в среднем на 40 %, чем в случае применения контура регулирования по току возбуждения. 4. СД с системой регулирования по току возбуждения успевает выпасть из синхронизма при перерыве питания 0,5 с. В отличие от данного случая СД с системой регулирования по реактивной мощности при перерыве питания 0,5 с не выпадает из синхронизма.

Об авторах

М. Б Лащенов

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Ю. В Шевырёв

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 36

PDF (Russian) - 15

Ссылки

• Ссылки не определены.