В Т Заїка - зниження потоків реактивної потужності в шахтних електричних мережах при впровадженні асинхронного регульованого приводу - страница 1

Страницы:
1 

Частина І. ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ТА ЕЛЕКТРОУСТАТКУВАННЯ

УДК 622.232:621.316

В. Т. Заїка д-р техн. наук, В.М. Прокуда

(Україна, Дніпропетровськ, ДВНЗ „Національний гірничий університет ")

ЗНИЖЕННЯ ПОТОКІВ РЕАКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ В ШАХТНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ ПРИ ВПРОВАДЖЕННІ АСИНХРОННОГО РЕГУЛЬОВАНОГО ПРИВОДУ

МАГІСТРАЛЬНИХ КОНВЕЄРІВ

Вступ. Вугільна шахта являє собою енергоємне виробництво з багаторівневою розгалуженою елек­тричною мережею. Майже 90% споживачів електричної енергії - це технологічні установки з асинхрон­ними двигунами, що мало працюють у номінальних режимах. Це машини та механізми очисних робіт, магістральні конвеєри, водовідливні установки. Окрім значних втрат електроенергії (ЕЕ) у шахтній ме­режі від активної складової потужності, набувають вагомості втрати, що формуються від реактивної складової. Це пояснюється тим, що коефіцієнт потужності спеціальних вибухозахищених двигунів, що не перевищує 0,85 у номінальних режимах [5], стає ще меншим при недовантаженні, згідно з вимогами технологічного процесу. За даними роботи [6] для шахт Західного Донбасу на нижніх рівнях розподілу ЕЕ coscp знаходиться в межах 0,5-0,8, тобто складова реактивної потужності може майже у 1,5 раза пере­вищувати активну. Тому зниження перетоків реактивної енергії набуває ваги.

У теперішній час разом з конденсаторними установками, ФКУ та активними тиристорними компен­саторами з'являється можливість зменшити реактивну потужність, яка передається шахтною мережею, за рахунок упровадження регульованого асинхронного приводу гірничих установок, що працюють від пе­ретворювачів частоти з ланкою постійного струму. У шахтній розподільній мережі таке рішення до неда­внього часу було неможливим за відсутності приводу у вибухозахищеному виконанні, проте зараз його впровадження набуває значних темпів. Сфера застосування асинхронного частотного регульованого приводу на шахті - механізми подачі очисних комбайнів, конвеєрні та водовідливні установки, шахтний підйом, вентилятори провітрювання.

Мета роботи. Крім аналізу електромагнітних процесів у системі "живильна мережа -перетворювач частоти" й зниження споживання електроенергії при впровадженні регульованого приводу взагалі [4, 8], має інтерес оцінка впливу приводу магістральних конвеєрів на базі АД з ПЧ (рис. 1) на потоки реактив­ної енергії та втрати активної потужності у підземній розподільній мережі, що і є метою даного дослі­дження.

Основний зміст роботи. Нові тенденції у статичній перетворювальній техніці зумовили вихід на передній план двох типів перетворювачів частоти з ланкою постійного струму - АІН з ШІМ (автономний інвертор напруги з широтно-імпульсною модуляцією) і некерованим мережним перетворювачем [1], а також АІН з ШІМ та мережним перетворювачем з САК (система активної компенсації) [3,9]. Перший варіант привабливий через його порівняно невелику вартість (використовуються некеровані напівпрові­дникові елементи у мережному перетворювачі), а другий - через можливість повного компенсування всіх неактивних складових струму як самого навантаження інвертора, так і інших споживачів, приєдна­них у місці з" єднання ПЧ з САК до живильного трансформатора.

Рис. 1. Принципова схема асинхронного двигуна з перетворювачем частоти та зображення перетоків реактивної потужності

Для аналізу перетоків реактивної енергії та втрат активної потужності у шахтній електричній мере­жі розглянемо питання щодо формування навантаженнях з вищезгаданими приводами з ПЧ реактивної та інших неактивних складових струму.

Далі під реактивною складовою струму будемо розуміти складову, що зумовлена зсувом струму ві­дносно напруги за першою гармонікою, а під вищими неактивними - складові тригонометричного ряду розкладення складних кривих струму в ряд Фур'є, у яких частота вища основної гармоніки [7]. Вважаємо навантаження симетричним за фазами. Зауважимо, що для аналізу приймаємо напругу синусоїдальної

S КЗ 18

форми (коефіцієнт викривлення <5%), що виконується за умови: >- , де икз - напруга КЗ живи­льного трансформатора; Pd - потужність перетворювача; S^3 - потужність КЗ у точці приєднання жи­вильного трансформатора [10]. Впливом комутаційних процесів АІН на стороні навантаження на спект­ральну зміну напруги мережного перетворювача знехтуємо, що відповідає випадку, коли індуктивність кола постійного струму перетворювача частоти     ® ¥, а індуктивність кола комутації     ® 0 [4].

Відомо, що повна потужність при несинусоїдальних режимах струму S = J P + Q() + Т   , де T -

потужність викривлення; P - активна потужність; Q() - реактивна потужність за першою гармонікою.

За наведених вище припущень для аналізу запишемо аналітичні вирази споживання реактивної по­тужності та потужності викривлення при:

- живленні двигуна конвеєра безпосередньо від трансформаторної підстанції без статичних перет­ворювачів

'Ід

при цьому потужність викривлення двигуна відсутня Тд = 0;

- живленні двигуна конвеєра від АІН з ШІМ та некерованого мережного перетворювача за умов безперервного струму

Q = P2 7дПІІМ

ііне кер пч(і) =-'ЯФмп(і) ;

аШІІМ '"Пмп

Т = K      P        = K       P27^дшім

1 не кер пч    Л т hdirне кер пч    Л т hdi

аШІМ

Фмп(і)»0, приймаючи кут комутації некерованого перетворювача зневажливо малим [1]. Тому

С?не кер пч(і) » 0 ;

- живленні двигуна конвеєра від АІН з ШІМ та мережного перетворювача з САК за умов модуля­ційних коливань струму <10% основної гармоніки струму

Q = P2 7ПдШІМ

Qпч з САК (і) =-tgj пч var '

ПаіШІМ 'Пмп

Тпч з САК » var ,

P2 7 Пд ШІМ       QQ2 Т2 P2 7 Пд ШІМ

П <i Qпч з САК(1)+ Тпч з САК < ~П .

Остання умова відображує, що компенсація неактивних складових відбувається за рахунок енергії, накопиченої у реактивних елементах ланки постійного струму.

Позначення у формулах: Q/J - реактивна складова потужності АД без ПЧ, квар; кер пч(і) - реак­тивна складова потужності першої гармоніки системи АД з ПЧ, квар, що циркулює між джерелом енергії та випрямлячем; P2 - активна потужність на валу двигуна, кВт; П д - ККД двигуна із заданим наванта­женням; (паішіМ 'Пмп) - ККД системи перетворювача частоти (автономного інвертора та випрямляча); tg Фмп(і) - частка від ділення реактивної складової потужності за першою гармонікою ПЧ на активну потужність; tg фд - частка від ділення реактивної потужності АД без ПЧ на активну; з сак (і)- реак­тивна потужність за першою гармонікою ПЧ з САК; Тпч з сак - потужність викривлення ПЧ з САК; Кт hdi - коефіцієнт спотворення кривої струму.

Розглянемо залежності складових потужностей споживання магістрального конвеєра вугільної шах­ти для трьох типів приводу, наведених вище, від коефіцієнта завантаження конвеєрної стрічки. Для міні­мізації непродуктивних витрат на конвеєрному транспорті необхідно регулювати швидкість привідного двигуна за законом E^jf3 = const, f0 ~ Кзк [4], де      - ЕРС кола намагнічування привідного двигуна;

f0 - частота живлення напруги статора двигуна; Кзк - відносний коефіцієнт завантаження конвеєрної стрічки. З урахуванням розглянутих у літературі ККД систем приводу за різних режимів роботи [1, 2, 3, 5] наведемо залежності складових потужності від відносного коефіцієнта завантаження конвеєрної стріч­ки та згаданого закону регулювання швидкості двигуна. На рис. 2 зображено залежності споживаної реа­ктивної потужності за першою гармонікою, потужності викривлення (для некерованого мережного пере­творювача у складі ПЧ) та повної потужності від коефіцієнта завантаження конвеєрної стрічки для випа­дку Pxx=40% номінальної потужності двигуна при живленні його безпосередньо від мережі - Q^i) та SR,

від ПЧ з некерованим мережним перетворювачем -      кер пч(і), Тне кер пч та      кер пч, від ПЧ з САК -

Qjpj з сак (і) та Sпч з сак . Усі залежності побудовані у відсотках від номінальної активної споживаної

потужності двигуна з урахуванням ККД усіх ланок регульованого приводу. Залежності наведені для при­воду конвеєра 1л100к з двигуном 23ДКЛОФ250ІЛ34У2Д

Рис. 2. Залежності складових споживаної потужності від коефіцієнта завантаження конвеєрної стрічки

За допомогою наведених розрахункових співвідношень визначимо споживання активної та реактив­ної електроенергії впродовж часу, достатнього для отримання достовірного статистичного результату ( для даних умов це 10 діб, що розраховано для отримання результату з помилкою не більше 3% з ймовір­ністю 0,95) діючими на шахті магістральними конвеєрами з асинхронним нерегульованим приводом і регульованим приводом на базі АД з ПЧ з АІН. Результати розрахунків наведемо у табл. 1, 2 та 3.

Таблиця 1

Споживання електроенергії конвеєрами з асинхронним нерегульованим приводом_

Магістральні конвеєри

Активна енергія, кВттод

Реактивна енергія, квартод

cos ф(1)

1л100к №1

17619

17525

0.53...0.79

0,66

1л100к №2

16252

16129

0.51...0.79

0,68

1л100к №3

10703

11049

0.51...0.78

0,63

Таблиця 2

Споживання електроенергії конвеєрами з асинхронним регульованим приводом (АД з ПЧ з АІН та _НМП (некерованим мережним перетворювачем))_

Магістральні конвеєри

Активна енергія, кВт-год

Реактивна енергія, квар-год

cos ф(1)

1л100к №1

15091

3772

0,99/0,99

1л100к №2

13282

3320

0,99/0,99

1л100к №3

7631

1907

0,99/0,99

Таблиця 3

Споживання електроенергії конвеєрами з асинхронним регульованим приводом (АД з ПЧ з АІН та _САК)_

Магістральні конвеєри

Активна енергія, кВт-год

Реактивна енергія, квар-год

cos ф(1)

1л100к №1

15091

0

1/1

1л100к №2

13282

0

1/1

1л100к №3

7631

0

1/1

Зважаючи на викладені вище положення, проаналізуємо потоки реактивної потужності та втрати ЕЕ у шахтній мережі при впровадженні ЧР приводу за даними промислового експерименту на магістральних конвеєрах, отриманих на шахті ім. М.І. Сташкова. Принципова схема для аналізу наведена на рис. 3.

рпп*т     тгмт    pim-tmo т гшкжяхз

ЦГГ     і. Ши        і.ивм.       s.mm. _ ,-*^^счжр1л1(К*ЛМ

І глчът

НШІ СПШ«№І

CSHSX2S

кші спа*иезм

СБЧЗхїї

інні сполна*

ГРЧ

<п>-а-ш-@

пч тята

—т-т-@

ГСШТ-бЗО*     виявити кеерщі

Рис 3. Принципова схема шахтної мережі для живлення магістральних конвеєрів з регульованим приводом магістральних конвеєрів

Магістральні конвеєри з привідними двигунами типу 23ДКЛОФ250ЬБ живляться від перетворюва­чів частоти з ланкою постійного струму. Асинхронний регульований привід живиться від трансформато­рних підстанцій ТСШВП котрі живляться від розподільних пунктів РПП 6 кВ на горизонті 140 м за до­помогою броньованих кабелів СБН та СБВШ.

Для розрахунку зміни перетоків реактивної потужності та втрат у кабельній шахтній мережі будемо вико­ристовувати математичний опис шахтної мережі за допомогою матричного методу (рис. 4).

Кожен елемент матриці відповідно інкапсулює набір параметрів певного вузла.

Під вузлом будемо розуміти електроспоживача та живильний його кабель, або комплектну трансфор­маторну підстанцію та живильний кабель. Так як при дослідженні ми вносимо зміни лише у вузли наванта­ження, що являють собою приводи магістральних конвеєрів із живильними кабелями, то інше наванта­ження будемо зводити до точки приєднання приводу конвеєрів як вузла з узагальнено прийнятими за екс­периментальними даними параметрами. Вузол з при­водом конвеєра буде відрізнятися для трьох різних варіантів розрахунку типом приводу. Складові поту­жності у вузлі будемо визначати для отриманого за експериментальними даними коефіцієнта завантажен­ня конвеєрної стрічки. Кожному вузлу надамо певні вхідні, вихідні та внутрішні параметри для зв'язку за допомогою графів певних вузлів між рівнями для пе­редачі вихідних параметрів від елементів на нижчому рівні до елементів на вищому. Параметрами вузла вважатимемо: вхідні - коефіцієнт завантаження (тільки для конвеєрів), діючі значення повної потуж­ності та її складових (описані раніше), модульне зна­чення напруги; внутрішні - активний та індуктивний опори живильного кабелю та трансформаторної підс­танції, коефіцієнт трансформації КТП (за відсутності у вузлі КТП тільки опір живильного кабелю); вихідні - діючі значення повної потужності та її складових (описані раніше), модульне значення напруги. Вхідні параметри відповідного за схемою елемента більш високого рівня є алгебраїчною сумою відповідних параметрів елементів нижчого рівня.

За допомогою ЕОМ та пакету MatLAB розрахуємо параметри кожного вузла, прийнявши вхідні ек­спериментальні дані або розрахувавши їх для конвеєрного транспорту за попередніми викладками відпо­відно до коефіцієнта завантаження. У розрахунках приймаємо такі припущення:

1. Потужність спотворення від некерованих випрямлячів проходить з незмінним значення по всім транзитним елементам мережі. Тому для аналізу подамо її як середньоквадратичне діюче значення, що піддається алгебраїчним операціям як і інші складові.

2. При визначенні втрати напруги у елементах приймаємо її модульне значення.

3. Усі складові потужності визначаємо як середньоквадратичні за період, якого достатньо, щоб за допустимої похибки 5% розрахувати втрати активної потужності у елементах та визначити змінення складових потужності.

Приймаючи за експериментальними даними змінний за часом коефіцієнт завантаження конвеєрів та наведену аналітичну схему розрахунку, знаходимо значення вхідних та вихідних параметрів елементів графу.

Висновки. Впровадження АД з прийнятими ПЧ до всіх магістральних конвеєрів шахти ім. М.І. Сташкова ВАТ "Палоградвугілля" дозволить зменшити активні втрати у підземній електричній мережі:

• при ПЧ з АІН та МНП більш ніж на 260 кВт/год за добу, що за рік складе більш ніж 95000 кВт/год (1% у питомих одиницях від загального споживання);

• при ПЧ з АІН та САК більш ніж на 280 кВт/год за добу, що за рік складе більш ніж 102000 кВт/год, за умов нормального функціонування шахти (1,05% у питомих одиницях від загального споживання).

Таким чином, упровадження частотного регульованого приводу на конвеєрному транспорті вугіль­них шахт, що являє собою необхідну ланку в процесі вуглевидобутку, показують перспективність вико­ристання АД з ПЧ і АІН як устаткування непрямої компенсації реактивної потужності на додаток до ос­новної функції - зменшення непродуктивних витрат ЕЕ при транспортуванні гірничої маси. Крім того, підвищення коефіцієнту потужності на нижчих рівнях розподілу електроенергії, безпосередньо у стру­моприймачів, дозволить уникнути розробки низьковольтних КУ спеціального виконання, а також розва­нтажити високовольтні мережі від потоків реактивної енергії, що приведе до зменшення втрат активної електроенергії в системі підземного електропостачання в цілому. Також це дозволить не встановлювати додаткові КУ на поверхні при збільшенні енергії, що споживається шахтою.

Список літератури

1. Жежеленко, И.В.. Высшие гармоники в системах электоснабженеия промпредприятий [Текст]./ И.В. Жежеленко. -5-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2004. - 358 с.

Рис 4. Аналітична розрахункова модель шахтної мережі з регульованим асинхронним частотним приводом шахтних конвеєрів

2. Вольдек, А. И. Электрические машины [Текст] : учеб. пособие / А. И. Вольдек. - 3-е изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. - 832 с.

3. Півняк, Г.Г. Сучасні частотно-регульовані асинхронні електроприводи з широтно імпульсною модуляцією [Текст] : монографія / Г.Г.Півняк, О.В. Волков. - Д.: НГУ, 2006. - 470 с.

4. Браславский, И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод [Текст]: учеб. пособие / И.Я. Браславский, З.Ш.Ишматов, В.Н.Поляков; под. ред. И.Я. Браславского. - М.:ACADEMA, 2004. - 202 с.

5. Дзюбан, В.С. Справочник энергетика угольной шахты [Текст] : в 2 т./ В.С. Дзюбан, И.Г.Ширнин, Б.Н.Ванеев, В.М. Гос-тищев; под общ. ред. Б.Н. Ванеева. - 2-е изд. перераб. и доп. - Донецк: ООО "Юго-Восток ЛТД", 2001. - Т.2.- 440 с.

6. Півняк, Г.Г. Системи ефективного енергозабезпечення вугільних шахт [Текст]/ Г.Г. Півняк, Ф.П. Шкрабець, В.Т. Заїка, Ю.Т. Розумний; під ред. Г.Г. Півняка. - Д.: НГУ, 2004. - 206 с.

7. Півняк, Г.Г. Особливі режими електричних мереж [Текст]: навч. посіб. / Г.Г. Півняк, А.К. Шидловський, Г.А. Кі-гель, А.Я. Рибалко, О.І. Хованська - Д.:НГУ, 2009. - 376 с.

8. Рухлов, А.В. Энергетические характеристики магистрального конвейерного транспорта угольных шахт [Текст]/ А.В. Рухлов, Е.Д. Герман // Гірнича електромеханіка та автоматика: наук. - техн. зб. - 2010. - Вип. 84. - с. 45-50.

9. Колб, А. А. Багатофункціональна система корекції якості електроенергії в системах групового живлення електроп­риводів [Текст] / А.А. Колб // Наук. вісник НГУ - 2009. - №6. - с. 64 - 68.

10. Гаскевич, П. А. Особенности построения и расчета систем электроснабжения горных машин с тиристорными приводами [Текст] / П.А. Гаскевич // Вопросы электроснабжения горных предприятий: сб. науч. тр. ВНИИВЭ. - До­нецк. 1983. - С.41-57.

Рекомендовано до друку: проф. Разумным Ю. Т.

Страницы:
1 


Похожие статьи

В Т Заїка - зниження потоків реактивної потужності в шахтних електричних мережах при впровадженні асинхронного регульованого приводу