МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Ерліх Євген Михайлович

УДК 622.62-83:621.33

Енергоефективні режими і пускові процеси у системі шахтного транспорту з індуктивною передачею енергії

Спеціальність:

05.09.03 – „Електротехнічні комплекси та системи”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2002

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Ерліх Євген Михайлович

УДК 622.62-83:621.33

Енергоефективні режими і пускові процеси у системі шахтного транспорту з індуктивною передачею енергії

Спеціальність:

05.09.03 – „Електротехнічні комплекси та системи”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем електропостачання Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник

академік НАН України, доктор технічних наук, професор Півняк Геннадій Григорович, ректор Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри систем електропостачання (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Сінолиций Анатолій Пилипович, завідувач кафедри автоматизованого електропривода Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України;

кандидат технічних наук, доцент Іванов Олексій Борисович, професор кафедри електричних машин, декан електротехнічного факультету Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа – ВАТ "Український науково-дослідний інститут силової електроніки "Перетворювач" Міністерства промислової політики України (м. Запоріжжя)

Захист відбудеться 15.05.2002 р. o 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 у Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, 27, проспект Карла Маркса, 19, тел. ).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної гірничої академії України (49027, м.Дніпропетровськ, 27, проспект Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий 12.04.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

канд. техн. наук, доцент ______________________В.Т. Заїка

Загальна характеристика роботи

Стан і актуальність теми.

Ритмічність роботи вугільних підприємств значною мірою залежить від успішного функціонування системи шахтного транспорту. Сучасні технічні засоби здатні забезпечити високі виробничі показники. Особливе місце належить системі шахтного транспорту з індуктивною передачею енергії. По багатьом важливим показникам цей транспорт перевершує широко розповсюджене транспортування акумуляторними електровозами. Так, середній к.к.д. системи ( = 0,25) перевищує аналогічний показник для акумуляторних електровозів ( = 0,13). Показник питомих енерговитрат (0,13 0,15 кВт г/т км) нижчий досягнутого при транспортуванні вугілля акумуляторними електровозами (0,3 кВт г/т км). Транспорт з індуктивною передачею енергії доцільно використовувати на шахтах, небезпечних по газу і пилу, що мають вантажонапружені магістральні виробки, складний профіль рейкового шляху.

В умовах енергетичної кризи показники енергоефективності транспортних систем здобувають особливу значимість. При значних об?ємах перевезень важливо досягти зниження питомих витрат енергії, що дозволить зменшити вартість вугілля, підвищити конкурентну спроможність вугільних підприємств. Проведений аналіз свідчить про те, що задача підвищення енергетичної ефективності системи транспорту із індуктивною передачею енергії вирішується комплексно. Рішення поширюються на усі ланки системи і включають як структурні, так і режимні зміни.

В умовах низької рентабельності підприємств, відсутності засобів на придбання нового обладнання, модернізацію існуючих систем важливо досягти максимальної ефективності при експлуатації транспортних засобів. У першу чергу варто звернути увагу на режими роботи устаткування. Їхнє поліпшення не вимагає значних матеріальних витрат і в той же час може виявитися досить вагомим.

Ефективна робота шахтного транспорту не можлива без забезпечення високої надійності функціонування устаткування. Виходячи із специфіки протікання електромагнітних процесів особливе місце приділяють його пуску. Незважаючи на ряд відомих рішень, задача підвищення стійкості пуску системи транспорту з індуктивною передачею енергії залишається актуальною.

Наукова задача дисертаційної роботи полягає в синтезі параметрів стаціонарних і пускових режимів транспорту, що забезпечують високу енергетичну ефективність і надійність функціонування системи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами.

Робота виконана у відповідності з державною науково-технічною програмою України “Електротехніка” на 1993-1994 рр.,розд.8,п.8.5.3., пов’язана із виконанням бюджетної науково-дослідної роботи в галузі розробки методу та структури системи управління для перетворювача частоти (тема МП-60, виконувалась відповідно наказу Національної гірничої академії України № 5 від 19.01.99 р., номер держреєстрації 0199U001685).

Мета і задачі досліджень. Основна мета досліджень – підвищення енергетичної ефективності, стійкості пуску системи шахтного транспорту з індуктивною передачею енергії шляхом реалізації специфічних режимів її роботи. Для досягнення цієї мети поставлені і вирішені наступні задачі:

– отримати статистичні характеристики параметрів тягової мережі;

– розробити математичну модель для оптимізації параметрів резонансного коливального контуру тягового навантаження;

– отримати оптимальні параметри коливального контуру з урахуванням статистичних характеристик режимів тягової мережі;

– провести експериментальні дослідження і впровадити отримані результати в виробництво;

– розробити математичну модель для дослідження пускових процесів з урахуванням режимів синхронізації імпульсів;

– визначити раціональні параметри пускового процесу, дати об'єктивну оцінку стійкості пуску;

– реалізувати пристрій для підвищення стійкості пуску тягового перетворювача частоти.

Об’єктом дослідження в роботі виступають електромагнітні процеси у системі шахтного транспорту.

Предметом дослідження є показники енергетичної ефективності і надійності функціонування системи транспорту, зв’язки цих показників з параметрами режиму роботи системи, оптимальні значення цих складових.

Методи дослідження: При виконанні роботи були використані: метод сканування – при рішенні задачі параметричної оптимізації, кусково-припасовочний метод – при аналізі пускового процесу, метод Рунге-Кутта – при чисельному інтегруванні систем диференційних рівнянь, метод лініаризації функцій – при визначенні числових характеристик випадкових величин, методи цифрового і фізичного моделювання – при дослідженні характеристик стаціонарних і пускових режимів системи.

Ідея роботи полягає у використанні резонансних властивостей електричних ланцюгів системи транспорту для підвищення енергетичної ефективності її режимів і синхронізації керуючих впливів при розвитку пускового процесу.

Основні наукові положення і результати дослідження, їхня новизна

Наукові положення.

1. Ефективність дії паралельного коливального контуру тягового навантаження по зниженню втрат енергії в перетворювальній підстанції та поліпшенню енергетичних показників керованого випрямляча підвищується при збільшенні ємнісного залишкового опору тягової мережі, вибір значення якого доцільно здійснювати з урахуванням пускових режимів безконтактних електровозів.

2. Підвищення стійкості пуску перетворювача частоти на тягову мережу шахтного транспорту досягається синхронізацією перших імпульсів керування випрямляча та автономного інвертора. Доцільна затримка між цими імпульсами в 3 mС.

Наукові результати.

1. Сформульована задача оптимізації параметрів паралельного коливального контуру тягового навантаження. Пропонується виконати розрахунок керованих змінних з урахуванням статистичних характеристик параметрів тягової мережі. Особливістю запропонованої цільової функції є наявність у її складі числової характеристики випадкових значень вихідного струму інвертора. Значення цільової функції дозволяє судити про ефективність дії коливального контуру по зниженню втрат енергії в силових ланцюгах перетворювальної підстанції.

2. Введені поняття подій, що характеризують стани окремих електровозів і їхній спільний прояв. Вперше одержані залежності для розрахунку статистичних ймовірностей цих подій. Це дозволило при рішенні задачі оптимізації врахувати тривалості окремих комбінацій станів електровозів, зв'язати цільову функцію з ефективним значенням вихідного струму перетворювальної підстанції.

3. Вперше розроблена імовірнісна цифрова математична модель, що забезпечує рішення задачі нелінійної оптимізації параметрів паралельного коливального контуру тягового навантаження. У результаті вирішення задачі синтезу визначені оптимальні значення керованих параметрів: ємнісного залишкового опору тягової мережі, індуктивного опору реактора, приєднаного до первинної обмотки вихідного трансформатора. Показано, що при збільшенні активного опору тягової мережі ефективність дії коливального контуру знижується.

4. Виконаний аналіз режимів роботи керованого випрямляча при оптимальних параметрах навантаження тягового перетворювача частоти. Доведено, що вплив рівня залишкового опору тягової мережі на енергетичні показники випрямляча є істотними. При оптимальному значенні цього опору значно знижується споживання реактивної потужності, потужності викривлення, повної потужності.

5. Розроблена цифрова математична модель для аналізу процесу пуску перетворювача частоти на тягову мережу. Модель враховує специфіку схеми автономного інвертора й орієнтована на дослідження характеру процесів при зміні моментів формування імпульсів випрямляча та інвертора. Розрахунок виконується кусково-припасовочним методом із використанням чисельного інтегрування систем диференційних рівнянь. Досягається висока оперативність аналізу, швидкість розрахунку.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень і результатів підтверджена:

– відповідністю допущень, прийнятих у математичних моделях, задачам моделювання, умовам експлуатації системи транспорту;

– використанням ефективних методів рішення задач, що враховують їхні особливості;

– співставленням результатів теоретичних і експериментальних досліджень.

Практичне значення результатів роботи полягає у наступному:

– створена математична модель, що дозволяє розрахувати оптимальні параметри паралельного коливального контуру тягового навантаження для конкретних умов експлуатації системи транспорту; визначені оптимальні значення параметрів для найбільш розповсюджених експлуатаційних режимів;

– визначена послідовність дій при налагодженні оптимальних параметрів системи;

– розроблений і впроваджений у виробництво пристрій для пуску перетворювача частоти на тягову мережу, визначені оптимальні затримки в часі між імпульсами керування;

– дана оцінка енергетичної ефективності пропонованих режимів, а також стійкості пускових процесів у системі транспорту.

Результати досліджень по оптимізації параметрів паралельного коливального контуру тягового навантаження, визначенню затримок в часі між імпульсами випрямляча та автономного інвертора використані при налагодженні системи транспорту на шахті “Известий” ДХК “Донбасантрацит”. Пристрій для пуску перетворювача частоти на тягову мережу впроваджено у перетворювачі ТОВІ-160-1,2. Економічний ефект від упровадження технічних рішень склав у 1999-2000 р. 40 тис. грн.

Експериментальні дослідження виконані в умовах діючого на шахті “Известий” ДХК “Донбасантрацит” комплексу устаткування транспорту з індуктивною передачею енергії.

Особистий внесок автора складається у вирішенні наукової задачі дисертаційної роботи.

У роботах, опублікованих у співавторстві, особистий внесок автора полягає в наступному: в [1] – отримані залежності для визначення числових характеристик випадкових величин, в [4] – запропоновано алгоритм синхронізації імпульсів випрямляча та інвертора, в [5] – запропоновано здійснювати регулювання струму тягової мережі з використанням сигналів, пропорційних вихідним параметрам перетворювача частоти, в [6] – визначені характеристики інвертора, в [7] – проаналізовані задачі з енергозбереження.

Апробація результатів дисертації.

Результати роботи доповідалися на Всесоюзній науково-технічній конференції “Проблеми перетворювальної техніки” (Київ, 1983 р.), на 3-тій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (м. Львів, 2001 р.), на семінарах Наукової Ради Національної АН України по комплексній проблемі “Наукові основи електроенергетики” (Дніпропетровськ, 2001 р.).

Публікації.

Результати досліджень опубліковані у 7 наукових працях, з яких: 3 статті у фахових виданнях, 2 авторські свідоцтва, 2 – матеріали конференцій.

Структура и обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку літературних джерел із 120 найменувань (14 сторінок), чотирьох додатків (10 сторінок). Загальний обсяг дисертації – 165 сторінок, рисунків 28, таблиць 8.

Основний зміст роботи

У вступі розкритий стан проблеми, обґрунтована актуальність дослідження, сформульована мета і задача роботи.

У першому розділі розкриті особливості системи шахтного транспорту з індуктивною передачею енергії, виконаний аналіз технічних рішень по підвищенню енергетичної ефективності, стійкості пуску, сформульовані задачі дослідження.

Система шахтного транспорту (рис. 1) складається із джерела живлення підвищеної частоти 1, тягової мережі 2, приймачів електричної енергії (електровозів) 3. Джерело живлення перетворює трифазний струм промислової частоти в однофазний струм підвищеної частоти (5 кГц). Для цього використовують дволанкові тиристорні перетворювачі частоти. Значна протяжність тягової мережі (кілька кілометрів), протікання струму підвищеної частоти зумовлюють необхідність компен-сації індуктивного опору кабелів. Для цього в тягову мережу включають послідовно батареї компенсуючих конденсаторів СЛ. На електровозі встановлений плоский енергоприймач, що уявляє собою обмотку в розімкнутому феритовому сердечнику. Обмотка має досить сильний магнітний зв'язок із гнучким кабелем тягової мережі. На електровозі встановлені двигуни постійного струму, керування якими здійснюється за допомогою регулятора У. Незалежність регулювальних характеристик приводів окремих електровозів забезпечується при стабільному струмі тягової мережі.

Задачі підвищення енергетичної ефективності системи транспорту вирішувались в різних напрямках із дотриманням принципів системного підходу. Значна частина запропонованих рішень була впроваджена і забезпечила певний рівень енергетичної ефективності системи. Інша частина розробок, захищених авторськими свідоцтвами та патентами, викликає безсумнівний інтерес і визначає існуючий потенціал енергозбереження. Проведений аналіз дозволив систематизувати відомі принципи зниження рівня втрат енергії, виділити з їхнього складу мало витратні, що пов’язані зі зміною режимів роботи системи. Досить ефективним є використання властивостей резонансного коливального контуру тягового навантаження (контур, створений реактором Ln і параметрами тягової мережі, приведеними до первинної обмотки вихідного трансформатора) (рис. 2). При певних параметрах його елементів може бути забезпечене зменшення вихідного струму перетворювальної підстанції і, як наслідок, зниження втрат енергії в її силових ланцюгах. Крім того, можуть бути поліпшені енергетичні показники випрямляча тягового перетворювача частоти. Важливо здійснити вибір оптимальних параметрів коливального контуру. Визначені задачі цього напрямку дослідження.

Аналіз літературних джерел, що віддзеркалюють результати досліджень пускових режимів у системі шахтного транспорту, свідчить про те, що увага акцентувалася на окремих проблемах пуску. Зокрема, досить глибоко проаналізовані схемотехнічні рішення пускових пристроїв. Проте, практично не зосереджувалась увага на вивчення режимів синхронізації імпульсів керування випрямляча та автономного інвертора, що в значній мірі впливають на стійкість пуску. Сформульовані задачі, які необхідно вирішити:

У другому розділі досліджені статистичні характеристики параметрів тягової мережі.

У системі шахтного транспорту навантаження перетворювальної підстанції при працюючих електровозах змінюється в широких межах і має різко змінний характер. Це зумовлено наявністю декількох приймачів електроенергії (електровозів), що працюють незалежно один від іншого, а також характером споживання енергії кожним з них. Зміна навантаження в терміні часу носить випадковий характер, тому для аналізу процесів доцільно використати методи теорії ймовірностей і математичної статистики.

Для аналізу енергоэфективних режимів паралельного коливального контуру тягового навантаження (рис. 2) важливо визначити характер зміни вихідного струму перетворювача Iu. Завдяки тому, що активний опір, внесений i-тим електровозом у тягову мережу Rвн.i, носить випадковий характер, струм Iu є випадковою величиною. Необхідно отримати статистичні характеристики параметрів тягової мережі (опорів Rвн.i, сумарного опору, внесеного електровозами Rвн.э). Це дозволить розрахувати числові характеристики струму Iu.

Аналіз Rвн.i базується на вивченні характеру зміни струму двигунів Id. Отримано аналітичні залежності для розрахунку числових характеристик (математичного сподівання, середньоквадратичного відхилення) струму Id у режимах руху електровоза з вантажем та порожняком по відомих параметрах, що характеризують умови експлуатації безконтактного електровоза.

;

; (1)

;

,

Математичне сподівання випадкової величини струму Id запропоновано розглядати як числову характеристику функції випадкової величини основного питомого опору руху потяга щ. Наявність лінійної функціональної залежності між випадковими величинами істотно спрощує розрахунок їхніх числових характеристик. Показано, що при збільшенні маси потяга математичне сподівання струму двигунів, його середньоквадратичне відхилення зростають. Математичне сподівання струму Id залежить також від ступеня криволінійності рейкового шляху, а також переважаючого схилу. Для визначення числових характеристик використані відомі результати проведених раніше експериментальних досліджень. Отримані аналітичні залежності розширюють можливості розрахунку числових характеристик, поширюючи їх на довільне сполучення експлуатаційних параметрів.

Керування приводом електровоза в ланцюзі постійного струму (здійснюється тиристорно-імпульсним регулятором ТЭРА, встановленим на електровозах В14-900) забезпечує активний характер внесеного в тягову мережу опору. Встановлено, що при нормальному законі розподілу струму двигунів (рух електровоза порожняком або з вантажем) активний опір Rвн.i підкоряється нормальному закону розподілу. Визначено числові параметри функції щільності розподілу

;

; | ; |

(2)

де Rн.ч, Iн.ч – опір, внесений електровозом у тягову мережу в годинному режимі двигуна, і струм випрямляча в цьому режимі.

Наявність лінійної функції від нормально розподілених аргументів дозволяє стверджувати, що закон розподілу сумарного активного опору, внесеного декількома електровозами в тягову мережу Rвн.э, також є нормальним. Отримано залежності для розрахунку його числових параметрів

;

Показано, що при розрахунку цих параметрів доцільно враховувати режими роботи окремих електровозів в момент часу, що розглядається.

Навантаження тягової підстанції залежить від режимів роботи декількох електровозів. Отже, в аналізі варто врахувати можливі стани кожного із них. Для цього можуть бути використані відомі методи теорії ймовірностей, що дозволяють оцінити можливість виникнення тих чи інших подій. Запропоновано підходи до визначення імовірнісних характеристик режимів, що виникають у процесі експлуатації транспорту. Уведено поняття подій, що складаються в тім, що електровоз рухається з вантажем, чи порожняком або простоює. Уведено також поняття спільного прояву подій, що враховує стан окремих електровозів. Запропоновано залежності для розрахунку статистичних ймовірностей цих подій

, , ;

де t*гр*i, t*n*i, t*np*i – середні арифметичні відносних (по відношенню до тривалості рейса) тривалостей кожного зі станів (рух із вантажем, порожняком, простій електровоза).

Числові характеристики випадкової величини опору Rвн.э залежать від станів окремих електровозів. Можливі m = 3n (n – число електровозів) різних комбінацій значень характеристик опору Rвн.э , кожна з який відповідає окремому стану електровозів у системі транспорту. Отримані імовірнісні характеристики дозволяють судити про відносну тривалість існування окремих комбінацій опорів. Це важливо для рішення задачі оптимізації параметрів резонансного коливального контуру тягового навантаження.

Третій розділ присвячений оптимізації параметрів паралельного коливального контуру тягового навантаження.

Завдяки резонансним властивостям паралельного коливального контуру (рис. 2) знижується вихідний струм перетворювальної підстанції і, як наслідок, зменшуються втрати енергії в її силових ланцюгах. Ефективність дії контуру підвищується при вірному виборі його параметрів. Синтез параметрів контуру варто здійснити з урахуванням отриманих раніше статистичних і імовірнісних характеристик. Це дозволить підвищити позитивний ефект у часто виникаючих режимах тягової мережі.

До параметрів, що визначають налагодження паралельного коливального контуру віднесені: залишковий ємнісний опір тягової мережі Хос; опір реактора Ln – Хр; активний опір кабелю тягової мережі Rл, опір, внесений електровозами Rвн.э (до також Rвн.э є випадковою величиною). Незалежними змінними є Rл і Rвн.э. До параметрів, що можуть бути змінені в процесі налагодження контуру, слід віднести Хос і Хр.

Сформульовано задачу параметричної оптимізації. Показано, що у цільовій функції доцільно використовувати відносне значення вихідного струму інвертора (віднесене до струму в первинній обмотці вихідного трансформатора). Це дозволяє застосувати для його розрахунку значення опорів ланцюгів тягового навантаження, створює передумови для співставлення різних варіантів реалізації цих ланцюгів. Цільова функція має вигляд

, (5)

де Рх* – статистичні ймовірності спільного прояву подій, Х(Хос, Хр).

Характерною рисою запропонованої цільової функції є наявність у її складі числової характеристики (математичного сподівання) випадкової величини вихідного струму перетворювальної підстанції. Значення цільової функції дозволяє судити про ефективність дії паралельного коливального контуру по зниженню втрат енергії в силових ланцюгах джерела живлення.

На область існування параметрів Хос, Хр накладаються обмеження. Рівні обмежень визначені характером їхніх реактивних опорів (індуктивний чи ємнісний), граничним припустимим значенням тягового навантаження (– Хос.г)

, (6)

Для рішення задачі нелінійної оптимізації розроблена імовірнісна числова математична модель. Визначено рівні прийнятих припущень:

– вихідний трансформатор розглядається ідеальним;

– втрати енергії в реакторі Ln відсутні;

– активні опори й індуктивності кабелів дорівнюють нулю;

– тягова мережа представлена послідовним електричним ланцюгом із зосередженими параметрами.

Запропоновано вирішувати задачу методом сканування з застосуванням програмного забезпечення системи MathCAD. Оптимальні параметри реєструються візуально при побудові графічних залежностей, що відображують поведінку цільової функції. Цифрову модель використовують для синтезу оптимальних параметрів як на стадії проектування системи шахтного транспорту, так і в процесі її експлуатації.

Визначено оптимальні параметри паралельного коливального контуру для найбільш розповсюджених експлуатаційних режимів системи шахтного транспорту. Показано, що при збільшенні ємнісного опору Хос цільова функція зменшується, а оптимальне Хос * знаходиться на межі його області існування (Хос.г). Крім того, Хр* обмежено значеннями 3 Ом Хр* 4 Ом. Рис. 3, як приклад, ілюструє залежність цільової функції від параметрів Хос, Хр. У табл. 1 приведені оптимальні значення опорів Хос*. Встановлено, що при істотному навантаженні тягової мережі ефективність дії резонансного коливального контуру знижується. Дослідження характеристик контуру при оптимальних значеннях параметрів Хр*, Хос * свідчить про те, що залежність складової цільової функції I2u(1)*(R) не має яскраво вираженої нелінійності. Це підтверджує принципову можливість застосування методу лініаризації при розрахунку математичного сподівання M(I2u(1)*). Уточнення цього параметру шляхом врахування другої похідної від функції, що аналізується, свідчить про те, що похибка розрахунку не перевищує 5%.

Показано, що прояв резонансних властивостей паралельного коливального контуру, що супроводжується зменшенням вихідного струму тягової підстанції, приводить також до зниження глибини регулювання її керованого випрямляча. Установлено, що оптимальне значення Хос * забезпечує максимальне (при заданому Хр*) зниження цього параметра. Для трифазної мостової схеми випрямлення із симетричним керуванням отримані залежності енергетичних показників від параметрів навантаження тягового перетворювача. Аналіз дозволив оцінити ефективність режимів роботи випрямляча при оптимальних параметрах паралельного коливального контуру. Показано, що вплив рівня залишкового опору тягової мережі Хос на енергетичні показники істотний. При оптимальному Хос* значно знижується споживання реактивної потужності, потужності викривлення, повної потужності. Енергоефективні режими роботи системи транспорту, що запропоновані, можуть бути реалізовані в процесі її налагодження. Їх слід віднести до числа мало витратних енергозберігаючих заходів.

Четвертий розділ присвячений аналізу процесу пуску перетворювача частоти на тягову мережу, підвищенню його стійкості та надійності.

Таблиця 1

Оптимальні значення опору Хос (Ом)

Кількість електровозів, n | 1 | 2 | 3

Довжина тягової мережі L,км | 1 | - 10 | - 8 | - 6,5

2 | - 10 | - 7,5 | - 6

3 | - 9,5 | - 7 | - 5

4 | - 9,5 | - 6,5 | - 4,5

5 | - 9 | - 6 | - 3,5

Погіршення характеристик пускового процесу може привести до зниження стійкості пуску (поряд із вдалими спостерігаються невдалі пуски), а у деяких випадках і до порушення працездатності системи. Задача дослідження пускових процесів полягає в наступному:

– для напівмостової схеми автономного інвертора при існуючій структурі ланцюгів тягового навантаження визначити оптимальне значення затримки в часі між моментом появи напруги на виході випрямляча і моментом подачі першого імпульсу керування інвертором;

– оцінити прийнятність пускових режимів при зниженій напрузі на виході випрямляча;

– порівняти різні варіанти формування імпульсів керування при пуску;

Наявність нелінійної ланки (тиристорного перетворювача частоти) у структурі системи шахтного транспорту визначає специфіку пускового процесу й особливості застосованих методів аналізу. При моделюванні пускового процесу в перших циклах комутації тиристорів автономного інвертора прийнятне припущення про відсутність струму тягової мережі. Це дозволяє спростити схему заміщення електричних ланцюгів тягового навантаження. У такому варіанті вона представлена індуктивністю реактора Ln. Обґрунтовано доцільність використання кусково-припасовочного методу аналізу пускового процесу. Показано, що обмежена кількість нелінійних елементів у схемі інвертора дозволяє виділити два структурних стани, що характеризуються лінійністю електричних ланцюгів. Визначені системи диференціальних рівнянь для аналізу процесів на інтервалах часу, що відповідають цим станам. Показано, що для рішення задачі доцільно застосувати чисельні методи інтегрування систем диференційних рівнянь. Обгрунтовано застосування методу Рунге-Кутта четвертого порядку. Це склало основу для розробки цифрової математичної моделі.

Для дослідження пускового процесу розроблена цифрова математична модель, що відрізняється від розроблених раніше моделей тим, що

– враховує використання в тяговому перетворювачі нової схеми автономного інвертора;

– орієнтована на дослідження пускових процесів при зміні моментів подачі імпульсів на тиристори випрямляча та інвертора.

Модель реалізована в системі MathCAD із застосуванням стандартної функції інтегрування систем диференційних рівнянь.

Установлено, що максимальне значення схемного часу запирання тиристора інвертора у першому циклі комутації забезпечується при затримці в часі Тзад між першими імпульсами випрямляча та інвертора, рівній 3 mС. У наступних комутаціях цей час зростає. Показано, що при існуючих параметрах елементів тягового перетворювача частоти забезпечується стійке інвертування в період пуску. Реактор Ln створює можливість для протікання струму навантаження в перших циклах комутації і виконує функцію пускового пристрою. При зниженій напрузі на виході випрямляча (100 В) напруга на силових елементах інвертора, струми тиристорів не перевищують допустимих значень.

Досліджено характеристики пускових процесів у трьох варіантах пуску: при примусовому формуванні першого імпульсу керування інвертора, при формуванні дозволу на проходження імпульсів інвертора, при “жорсткій” синхронізації перших імпульсів випрямляча та інвертора. Показано, що в першому варіанті тільки 40% пускових процесів будуть успішними. В другому варіанті максимальне зниження схемного часу запирання тиристора інвертора складає 20% (у порівнянні з аналогічним режимом третього варіанту). У третьому варіанті має місце максимальна стійкість інвертування.

Розроблений спосіб пуску тягового перетворювача частоти, що забезпечує “жорстку” синхронізацію перших імпульсів випрямляча та інвертора. Синхронізація досягається зняттям заборони на проходження імпульсів випрямляча в момент, коли імпульси цих пристроїв співпадають, а також наступним (після проходження першого імпульсу випрямляча) зняттям заборони на проходження імпульсів інвертора з заданою витримкою часу. Розроблений спосіб дозволяє підвищити стійкість пускового процесу. Він реалізований у тяговому перетворювачі частоти ТОВ1-160-1,2.

В п'ятому розділі викладені результати експериментальних досліджень енергоефективних режимів системи транспорту, а також упровадження у виробництво запропонованих технічних рішень.

На шахті “Известий” ДХК “Донабасантрацит” був організований збір статистичної інформації щодо тривалості роботи безконтактних електровозів. На її основі виконаний розрахунок статистичних ймовірностей окремих станів електровозів. Це дозволило розрахувати ймовірності спільного прояву подій і вирішити задачу оптимізації параметрів паралельного коливального контуру тягового навантаження для умов цієї шахти.

Показано, що налагодження паралельного коливального контуру в режим з оптимальними параметрами може бути забезпечено виходячи із показань вимірювальних приладів, встановлених у перетворювачі частоти ТОВ1-160-1,2. Процес налагодження передбачає вимір напруг і струмів на виході випрямляча і автономного інвертора в режимі ненавантаженої тягової мережі й співставлення отриманих значень з розрахунковими. Налагодження параметрів контуру на шахті “Известий” підтвердили прийнятність і ефективність запропонованого підходу. Реалізація оптимальних параметрів забезпечила зниження втрат потужності в перетворювачі частоти на 20,7 кВт, що підтверджує високу ефективність проведеного енергозберігаючого заходу.

Розроблений і впроваджений у тяговому перетворювачі частоти ТОВ1-160-1,2 пристрій пуску перетворювача на тягову мережу. Пристрій реалізує запропонований спосіб пуску, що забезпечує “жорстку” синхронізацію перших імпульсів випрямляча і автономного інвертора. При налагоджені перетворювача частоти на шахті “Известий” були встановлені необхідні затримки в часі між цими імпульсами. Результати досліджень характеристик пристрою в шахтних умовах, а також наступний досвід експлуатації системи транспорту підтверджують його працездатність, високу стійкість пуску, достовірність наукових висновків, отриманих у дисертаційній роботі.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена наукова задача синтезу параметрів стаціонарних і пускових режимів системи шахтного транспорту, що полягає у визначенні функціональних залежностей показників енергетичної ефективності та стійкості пускових процесів від параметрів режиму системи транспорту, створенні математичної моделі з урахуванням імовірнісних характеристик процесів і розв’язанні на цій основі задачі параметричної оптимізації.

Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень наступні.

1. Зниження втрат енергії в силових ланцюгах перетворювальної підстанції, підвищення енергетичних показників керованого випрямляча досягається установкою паралельного коливального контуру в ланцюзі навантаження тягового перетворювача частоти. Сформульована задача оптимізації параметрів паралельного коливального контуру. Пропонується визначати керовані змінні із урахуванням статистичних характеристик параметрів тягової мережі, що сприяє підвищенню ефективності дії коливального контуру.

2. Установлено, що при нормальному законі розподілу струму двигуна в режимі руху електровоза порожняком чи із вантажем активний опір, внесений електровозом В 14-900 у тягову мережу, підкоряється нормальному закону розподілу. Визначені параметри закону розподілу. Наявність лінійної функції від нормально розподілених аргументів дозволяє стверджувати, що закон розподілу активного сумарного опору, внесеного декількома електровозами в тягову мережу, також є нормальним. Отримані залежності для розрахунку його чисельних параметрів. Показано, що при визначенні цих параметрів варто враховувати режим роботи кожного електровоза в фіксований момент часу.

3. Введені поняття подій, що характеризують стани окремих електровозів і їхній спільний прояв. Отримані залежності для розрахунку статистичних ймовірностей цих подій. Це дозволило при рішенні задачі оптимізації врахувати тривалості окремих комбінацій станів електровозів, зв'язати цільову функцію з ефективним значенням вихідного струму перетворювальної підстанції.

4. Розроблена імовірнісна цифрова математична модель, що забезпечує рішення задачі нелінійної оптимізації параметрів паралельного коливального контуру тягового навантаження. Характерною рисою запропонованої цільової функції є наявність у її складі числової характеристики випадкової величини. Результати моделювання можуть бути використані як на стадії проектування системи шахтного транспорту, так і в процесі її експлуатації.

5. У результаті вирішення задачі оптимізації визначені оптимальні параметри паралельного коливального контуру. Показано, що оптимальне значення ємнісного залишкового опору тягової мережі знаходиться на межі його області існування, визначеної з умов пуску безконтактних електровозів. Оптимальне значення індуктивного опору реактора, підключеного до первинної обмотки вихідного трансформатора, знаходиться в межах від 3 Ом до 4 Ом. При збільшенні активного опору тягової мережі ефективність дії паралельного коливального контуру знижується.

6. Дана оцінка режимів роботи керованого випрямляча при оптимальних параметрах навантаження тягового перетворювача. Показано, що вплив рівня залишкового ємнісного опору тягової мережі на енергетичні показники випрямляча є істотний. При оптимальному значенні цього опору значно знижується споживання реактивної потужності, потужності викривлення, повної потужності.

7. Розроблена цифрова математична модель для аналізу процесу пуску перетворювача частоти на тягову мережу. Модель враховує специфіку схеми автономного інвертора й орієнтована на дослідження характеру процесів при зміні моментів формування імпульсів випрямляча та інвертора. Модель базується на кусково-припасовочному методі аналізу процесів, використовує стандартну процедуру інтегрування систем диференційних рівнянь методом Рунге-Кутта четвертого порядку. Досягається висока оперативність аналізу, швидкість розрахунку пускового процесу.

8. У результаті моделювання пускового процесу визначено, що

підвищення стійкості інвертування забезпечується при “жорсткій” синхронізації перших імпульсів випрямляча та інвертора; реактор Ln виконує функцію пускового пристрою (створює шлях для протікання струму навантаження інвертора в перших циклах комутації тиристорів);

9. Розроблений спосіб пуску тягового перетворювача частоти та пристрій для його реалізації. Досягається “жорстка” синхронізація перших імпульсів випрямляча та автономного інвертора. В основу способу покладено реєстрацію моменту збігу імпульсів цих складових перетворювача із наступним формуванням дозволів на їхнє проходження. Спосіб пуску реалізований у системі керування тягового перетворювача частоти ТОВ1-160-1,2.

10. Результати оптимізації параметрів паралельного коливального контуру тягового навантаження, а також рекомендовані затримки в часі між імпульсами випрямляча та автономного інвертора впроваджені при налагодженні системи транспорту на шахті “Известий” ДХК “Донбасантрацит”. Це забезпечило зниження втрат потужності в перетворювачі частоти, покращання стійкості пуску на тягову мережу. Економічний ефект від впровадження технічних рішень склав у 1999-2000 р.р. 40 тисяч грн.

Наукові положення та результати опубліковані в роботах:

1. Статистические характеристики параметров тяговой сети шахтного транспорта с индуктивной передачей энергии /Пивняк Г.Г., Эрлих Е.М. // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. – 2001. – вип. 66. – с.3-9.

2. Эрлих Е.М. Вероятностные характеристики эксплуатационных режимов системы шахтного транспорта с индуктивной передачей энергии // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб.– 2001. – вип. 67. – с.3-6.

3. Эрлих Е.М. Математическое моделирование автономного инвертора высокочастотного источника электропитания бесконтактной откатки // Горная электромеханика и автоматика: Респ. межвед. нау. сб – 1980. вып. 37. – с.35–37.

4. А.с. 860267 СССР, МКИ Н02Р 13/18. Способ управления преобразователем частоты / Г.Г. Пивняк, Е.М. Эрлих – Опубл. в Б.И. – 1981. – № 2.

5. А.с. 15.29376 СССР, МКИ Н02М 7/00. Устройство для управления преобразователем частоты / Г.Г. Пивняк, Е.М. Эрлих, А.Л. Аникин. – Опубл. в Б.И. – 1989. – № 46.

6. Пивняк Г.Г., Беркович Е.И., Эрлих Е.М. К анализу установившегося режима в инверторе с удвоением частоты без обратных диодов // Тез. докл. ІІІ Всес.науч.конф. “Проблемы преобразовательной техники”. – Ч. 3. – К.: 1983. – с. 24-27.

7. Півняк Г.Г., Еріх Є.М. Енергоефективні устаткування і режими шахтного транспорту з індуктивною передачею енергії // Проблеми економії енергії. Збірник матеріалів ІІІ Міжнародної науково-практичної конференції. Львів: Видавництво Національного університету „Львівська політехніка”. – 2001. – с. 168-169.

АНОТАЦІЯ

Ерліх Є.М. Енергоефективні режими та пускові процеси в системі шахтного транспорту з індуктивною передачею енергії: – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 “Електротехнічні комплекси та системи”. Національна гірнича академія України. Дніпропетровськ, 2001.

Захищаються результати синтезу параметрів стаціонарних і пускових режимів транспорту з індуктивною передачею енергії, що забезпечують енергетичну ефективність і надійність функціонування системи. Енергоефективні стаціонарні режими реалізуються завдяки резонансним властивостям електричних ланцюгів системи транспорту. Підвищення стійкості пуску перетворювача частоти на тягову мережу системи транспорту досягається синхронізацією імпульсів управління випрямляча та автономного інвертора.

Ключові слова: шахтний транспорт, тягова мережа, енергетична ефективність, пусковий процес, синхронізація імпульсів.

Аннотация

Эрлих Е.М. Энергоэффективные режимы и пусковые процессы в системе шахтного транспорта с индуктивной передачей энергии. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 “Электротехнические комплексы и системы”. Национальная горная академия Украины. Днепропетровск, 2001.

Диссертационная работа посвящена синтезу параметров стационарных и пусковых режимов транспорта с индуктивной передачей энергии, обеспечивающих высокую энергетическую эффективность и надежность функционирования системы.

Энергоэффективные стационарные режимы реализуются на основе резонансных свойств электрических цепей системы транспорта. Снижение потерь энергии в силовых цепях преобразовательной подстанции, повышение энергетических показателей управляемого выпрямителя достигается установкой параллельного колебательного контура в цепи ее нагрузки.

С учетом статистических характеристик параметров режима тяговой сети сформулирована задача оптимизации параметров колебательного контура. Характерной особенностью предложенной целевой функции является наличие в ее составе числовой характеристики случайной величины выходного тока подстанции. Разработана вероятностная цифровая математическая модель, обеспечивающая решение задачи нелинейной оптимизации. Получены оптимальные параметры параллельного колебательного контура тяговой нагрузки. Доказано, что эффективность его действия повышается при увеличении емкостного остаточного сопротивления тяговой сети. Выбор значения этого сопротивления целесообразно осуществлять с учетом пусковых режимов бесконтактных электровозов.

Показано, что проявление резонансных свойств параллельного колебательного контура, сопровождающееся изменением выходного тока тяговой подстанции, приводит к снижению глубины регулирования управляемого выпрямителя. Для трехфазной мостовой схемы выпрямления с симметричным управлением получены зависимости энергетических показателей от параметров нагрузки тягового преобразователя. Показано, что влияние уровня остаточного сопротивления тяговой сети на энергетические показатели выпрямителя существенно. При оптимальном сопротивлении снижается потребление реактивной мощности, мощности искажения, полной мощности. Предложенные энергоэффективные режимы работы системы транспорта могут быть реализованы в процессе настройки параметров тяговой сети.

Ухудшение характеристик пускового процесса в системе шахтного транспорта может привести к снижению устойчивости пуска, а в некоторых случаях – к нарушению работоспособности системы. Анализ пусковых процессов осуществлен с учетом особенностей структуры электрических цепей преобразователя частоты и тяговой нагрузки.

Предложено решать задачу повышения устойчивости пуска преобразователя частоты на тяговую сеть путём синхронизации управляющих воздействий при развитии пускового процесса. Разработана цифровая математическая модель для исследования процесса пуска, учитывающая особенности силовой схемы автономного инвертора, специфичные алгоритмы формирования импульсов управления. Установлено, что повышение устойчивости пуска достигается синхронизацией первых импульсов управления выпрямителя и автономного инвертора. Целесообразна задержка между этими импульсами в 3 mC. Разработан способ пуска и устройство, его реализующее. Синхронизация обеспечивается снятием запрета на прохождение импульсов выпрямителя в момент, когда импульсы этих устройств совпадают, а также последующим (после прохождения первого импульса выпрямителя) снятием запрета на прохождение импульсов автономного инвертора с заданной задержкой времени.

Показано, что настройка параллельного колебательного контура в режим с оптимальными параметрами может быть обеспечена исходя из показаний измерительных приборов, установленных в преобразователе частоты ТОВ1-160-1,2. Настройка параметров контура на шахте „Известий” ГХК „Донбассантрацит” подтвердила приемлемость и эффективность предложенного подхода. Реализация оптимальных параметров обеспечила снижение мощности потерь в преобразователе частоты на 20,7 кВт.

Разработано и внедрено в тяговом преобразователе частоты ТОВ1-160-1,2 устройство пуска преобразователя на тяговую сеть. Результаты исследования его характеристик в шахтных условиях, а также последующий опыт эксплуатации системы транспорта подтверждают его работоспособность, высокую устойчивость процесса, достоверность научных выводов, полученных в диссертационной работе.

Ключевые слова: шахтный транспорт, тяговая сеть, энергоэффективность, пусковой процесс, синхронизация импульсов.

Abstract

Ye. M. Erlikh. Energy efficient regimes and starting processes in the mine transport system with the inductive energy transmission. – Manuscript.

There is for a candidate’s degree of technical sciences in specialty 05.09.03 “Electrotechnical complexes and systems”. National Mining University of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2002.

The thesis is devoted to the parameter synthesis of stationary and staring transport regimes with inductive energy transmission that provide with high energy efficiency and reliability of system functioning. Energy efficient stationary regimes are realized on the basis of resonance transport system properties. The task of stability increase of the frequency converter start in the traction supply line is suggested to be solved by means of synchronizing control pulses of rectifier and self-excited inverter.

Key words: mine transport, traction supply line, energy efficiency, frequency converter, starting process, pulse synchronization.

Ерліх Євген Михайлович

Енергоефективні режими і пускові процеси у системі шахтного транспорту з індуктивною передачею енергії

(Автореферат)

Підписано до друку 22.01.02. Формат 30х42/4.

Папір Polspееd. Ризографія. Умовн. друк. арк. 1,0.

Обліково-видавн. арк. 1,0. Тираж 120 прим. Зам. № .