Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

СЬОМОЧКИН Альберт Борисович

УДК 622.62-83:621.33

РЕЖИМИ І СИСТЕМИ ПОЛЕГШЕНОГО ЗАПУСКУ

СИНХРОННИХ ДВИГУНІВ ПЕРЕТВОРЮВАЛЬНИХ АГРЕГАТІВ

КАР'ЄРНИХ ЕКСКАВАТОРІВ В УМОВАХ МЕРЕЖ

З ВІДДАЛЕНИМ ДЖЕРЕЛОМ НАПРУГИ

Спеціальність:

05.09.03 – “Електротехнічні комплекси та системи”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ –2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизованого електропривода Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор СІНОЛИЦИЙ Анатолій Пилипович,

завідувач кафедри автоматизованого електропривода Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

Провідна установа |

октор технічних наук, професор

НІЗІМОВ Віктор Борисович,

професор кафедри електрообладнання Дніпродзержинського державного технічного університету

Міністерства освіти і науки України

кандидат технічних наук, доцент

ВОСКОБОЙНИК Владислав Еммануїлович,

професор кафедри електроприводу

Національного гірничого університету

Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Національний технічний університет "ХПІ" Міністерства освіти і науки України, кафедра автоматизованих електромеханічних систем |

Захист відбудеться “ 16 ” жовтня 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ -– 27, пр. К. Маркса, 19, тел. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою:

49027, м. Дніпропетровськ – 27, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий “_ _11_ ” _серпня__ 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент А. А. Колб

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Однією з основних технологічних установок гірничовидобувної промисловості є екскаватор із приєднаною потужністю двигунів 6254000 кВа, тому значна частина навантаження розподільних мереж сучасного кар'єру приходиться на високовольтні двигуни змінного струму екскаваторів. Значна частина повітряних ліній електропередач (ЛЕП) кар'єру виконана на пересувних опорах, для яких відповідно правил технічної експлуатації використовують сталеалюмінієві проводи перетином до 120 мм2. З цих причин розподільні мережі 6 кВ не можуть забезпечити надійного і якісного електропостачання двигунів екскаваторів. Так, у ході прямого пуску синхронних двигунів екскаваторів у розподільних мережах кар'єру мають місце великі втрати напруги (до 50 %) від номінального значення Uн. Значне зниження рівня напруги у розподільних мережах кар'єру викликає перекидання асинхронних двигунів і знижує стійкість роботи синхронних двигунів інших гірничих машин, які працюють у кар'єрі. Перевантаженість кар’єрних мереж вимагає будівництва нових ліній електропередачі, через що ускладнюються схеми, зростають експлуатаційні витрати, збільшується вартість будівництва нових і реконструкції діючих кар'єрів. Крім цього, прямий пуск високовольтних двигунів екскаваторів в умовах зниженої напруги призводить до збільшення часу розгону двигуна і перегріву обмоток, прискореного старіння ізоляції і скорочення терміну служби двигуна.

Для усунення негативних явищ, які супроводжують прямий пуск синхронного двигуна (СД) екскаватора, на деяких кар'єрах для екскаваторів була розроблена і впроваджена в експлуатацію система полегшеного пуску. Вона заснована на попередньому розгоні незбудженого і відключеного від мережі СД за допомогою одного з генераторів перетворювального агрегату, який працює у режимі двигуна від стороннього джерела живлення. Як правило, розгін у таких системах завершується на підсинхронний швидкості самосинхронізацією СД із мережею з наступним його втягуванням у синхронізм подачею струму збудження. Однак процес самосинхронізації СД із мережею може супроводжуватись настільки ж значними струмами, як і при прямому пуску СД, що також призводить до значних знижень напруги мережі, і як наслідок, до порушення режиму роботи інших споживачів, підключених до тієї ж мережі.

Тому усунення негативного впливу пуску СД перетворювального агрегату екскаватору від кар’єрних мереж з віддаленим джерелом напруги на режим кар’єрної мережі, а також на інших споживачів, підключених до тієї ж мережі, шляхом використання спеціальних пускових режимів самосинхронізації з мережею або несинхронного включення СД в мережу є актуальною науково-технічною задачею.Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана робота відповідає напрямку науково-дослідних робіт кафедри автоматизованого електроприводу Криворізького технічного університету. Матеріали дисертаційної роботи використовувались при виконанні науково-дослідної роботи на Новокриворізькому гірничозбагачувальному комбінаті Криворізького державного гірничометалургійного комбінату (КДГМК) “Криворіжсталь” за договором № 3049 від 16.07.2002 р., а також при виконанні теми № 19-4380-03, номер держреєстрації 0103U005275. Номер вихідного листа НДЧ № 20-21-422 від 20 травня 2003 року. Робота відповідає галузевій науково-технічній програмі “Створення ресурсозберігаючого устаткування для вугільної галузі” (пріоритетний напрямок № 1 “Ресурсозберігаюче устаткування і машини для паливно-енергетичного комплексу”), погодженої Міністерством економіки України 14.08.2001 р. і затвердженої головою Державного комітету Міністерства промислової політики України.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є обґрунтування раціональних силової схеми, режиму та умов пуску, а також системи керування пуском потужних синхронних двигунів (СД) в умовах мереж з віддаленим джерелом напруги для забезпечення номінального терміну служби і необхідної якості електроенергії на затисках живлення СД, які запускаються. Для досягнення мети досліджень поставлені і вирішені наступні задачі:

– дана оцінка стану досліджень пуску СД від протяжних розподільних мереж і вибрана раціональна силова схема системи полегшеного пуску за допомогою порівняльного аналізу існуючих систем пуску СД з урахуванням конструктивних особливостей електрообладнання кар'єрних екскаваторів;

– розроблені математичні моделі, алгоритми, програми і методику розрахунків, які дозволяють установити вплив умов пуску СД на показники перехідних процесів у протяжній мережі електропостачання та у СД, який запускається від цієї мережі;

– вибраний і обґрунтований раціональний пусковий режим СД від мережі з віддаленим джерелом напруги, з урахуванням різних режимів роботи СД стороннього екскаватора, підключеного до тієї ж мережі;

– обґрунтовані умови безударного включення СД у мережу з віддаленим джерелом напруги на основі аналізу показників процесу пуску СД;

– визначені закономірності впливу на показники перехідного процесу пуску СД від мережі з віддаленим джерелом напруги умов пуску, параметрів схеми заміщення СД і мережі, розроблено рекомендації для забезпечення раціонального запуску СД;

– розроблені вимоги до технічної реалізації системи керування раціональним пуском СД кар'єрного екскаватора від мережі з віддаленим джерелом напруги, обґрунтований і розроблений алгоритм програмного керування пуском СД.

Об'єктом досліджень у дисертації є пускові електромеханічні і електромагнітні процеси у системі “СД кар'єрного екскаватора – мережа з віддаленим джерелом напруги”.

Предметом досліджень є показники пускових електромеханічних і електромагнітних процесів у системі “СД кар'єрного екскаватора – мережа з віддаленим джерелом напруги”, зв'язок цих показників з конструктивними параметрами СД, параметрами схеми заміщення мережі з віддаленим джерелом напруги, і умовами пуску СД.

Методи досліджень. Для розв’язання поставлених задач у роботі використані:

– аналіз і узагальнення сучасної науково-технічної літератури по режимах і системах пуску – для вибору раціональної системи полегшеного пуску СД;

– методи теорії узагальненої електричної машини, математичного моделювання і чисельного розв’язання диференціальних рівнянь; чисельного розв’язання систем алгебраїчних рівнянь – для розробки математичної моделі і алгоритмів розрахунку динамічних режимів синхронних двигунів та мережі;

– методи теорії планування експерименту – для одержання залежностей, які зв'язують показники пускових перехідних електромеханічних і електромагнітних процесів у системі “СД кар'єрного екскаватора – мережа з віддаленим джерелом напруги” з конструктивними параметрами двигунів, параметрами схеми заміщення мереж з віддаленими джерелами напруги і умовами пуску СД;

– методи теорії лінійного програмування – для одержання за допомогою функцій відгуку, одержаних методами планування експериментів, областей без-ударного включення СД у мережу;

– експериментальні дослідження у лабораторних і промислових умовах – для підтвердження вірогідності результатів, отриманих математичним моделюванням за допомогою ЕОМ.

Ідея роботи полягає у визначенні закономірностей взаємовпливу у системі “синхронний двигун – мережа з віддаленим джерелом напруги” і обґрунтуванні раціональних умов пускових режимів синхронних двигунів перетворювального агрегату екскаватору для забезпечення ресурсозбереження.

Основні наукові положення та їх новизна.

Наукові положення

1. Керування кутом зсуву фаз між вектором напруги збудженого СД і вектором напруги протяжної кар'єрної мережі, а також величиною ковзання ротора СД забезпечує безударне електромагнітне включення приводного СД перетворювального агрегату екскаватора в мережу при кутах (–10)…(+10) ел.град і ковзаннях (–0.05)…(+0,05), що дозволяє, на відміну від других відомих способів полегшеного пуску, знизити електродинамічні навантаження на обмотки СД

до припустимих значень і забезпечити необхідний рівень живильної напруги.

2. Керування режимом самосинхронізації з мережею незбудженого СД перетворювального агрегату одиночного екскаватора при полегшеному пуску в умовах протяжних кар'єрних мереж забезпечує безударне включення у мережу з припустимими зниженнями рівня напруги тільки при довжинах живильних повітряних ліній не більш 3 км із проводами перетином 120 мм2.

Наукові результати

1. Отримане розрахункове співвідношення, що дозволяє визначити величину максимального зниження напруги на затискачах СД перетворювального агрегату одиночного екскаватору при його самосинхронізації з мережею у функції параметрів схем заміщення СД і мережі електропостачання, ковзання і кута включення СД у мережу.

2. Установлено, що тривалість неприпустимих рівнів напруги в точці розгалуження живлення синхронних двигунів перетворювальних агрегатів двох екскаваторів при керованій самосинхронізації з мережею СД першого екскаватора зневажливо мала (декілька мілісекунд) при холостому ході СД другого екскаватора, але значно зростає (до десятих часток секунд) при номінальному навантаженні СД другого екскаватора.

3. Отримані залежності, що дозволяють при несинхронному включенні в мережу СД першого екскаватора і з урахуванням режиму роботи СД другого екскаватора, визначати максимуми електромагнітних моментів на валах СД і знижень напруги в точці підключення до мережі СД цих екскаваторів, у функції параметрів схем заміщення СД і мережі, ковзання і кута включення між напругою збудженого СД і напругою мережі., що створило передумови для обґрунтування принципів побудови універсальних пристроїв керування точною синхронізацією СД із мережею.

4. Установлено, що області безударного електромагнітного несинхронного включення у протяжну кар'єрну мережу СД перетворювального агрегату при повному робочому завантаженні стороннього екскаватора, підключеного до тієї ж мережі, розширюються по куту включення на 30%, у порівнянні з областю безударного включення в мережу СД одиночного екскаватора.

Обгрунтованість і достовірність одержаних у роботі наукових результатів підтверджується використанням сучасних методів математичного опису електромеханічних систем із синхронними двигунами, що базуються на використанні теорії електричних машин, автоматизованого електроприводу; коректністю вихідних положень і допущень, прийнятих у математичних і фізичних моделях, їх відповідності до задач моделювання, умов експлуатації електроприводів екскаваторів, позитивним досвідом впровадження результатів роботи на ГЗК КДГМК “Криворіжсталь” і у кар'єрі № 1 ЦГЗК.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

1. На їх основі розроблений ефективний пристрій керування пуском СД перетворювального агрегату кар'єрного екскаватора, що дозволяє знизити пускові електродинамічні і теплові навантаження на обмотки СД до припустимих значень, збільшити термін служби СД і забезпечити у ході пуску потрібний рівень живильної напруги.

2. Використання наукових положень, результатів і висновків дисертаційної роботи дозволить розробити нові і модернізувати існуючі системи полегшеного пуску синхронними СД кар'єрних екскаваторів для поліпшення техніко-економічних показників і підвищення функціонування електроприводів.

3. Результати дисертаційної роботи впроваджені на ГЗК КДГМК “Криворіжсталь” і у кар'єрі № 1 Центрального гірничо-збагачувального комбінату (ЦГЗК) (м. Кривий Ріг), що підтверджено 2 актами впровадження.

Особистий внесок здобувача

Автор самостійно сформулював мету, задачі дослідження, наукові положення і результати, виконав теоретичну і практичну частину роботи, приймав пряму участь у проведенні лабораторних і промислових випробувань. В роботах, опублікованих разом з співавторами, дисертантові належать: у [2] – розробка універсальної математичної моделі комплексу “мережа з віддаленим джерелом напруги – одиночний СД”, дослідження типових перехідних режимів одиночного СД на цій моделі та оцінка впливу цих режимів на мережу і СД; у [3, 4, 5] – дослідження режимів самосинхронізації при різних початкових умовах і аналіз впливу цих режимів на показники перехідних режимів СД і мережі; у [6] – дослідження впливу перетину проводів повітряної лінії, що живить екскаватор, на показники перехідного процесу несинхронного включення у мережу СД екскаватора; у [7, 8] – дослідження режиму синхронного і несинхронного включення синхронного СД екскаватора у протяжну мережу як з урахуванням, так і без урахування впливу режиму роботи синхронного СД стороннього екскаватора, який працює від тієї ж мережі; у [9, 10] – підготовка і проведення планування експериментів як для комплексу “мережа з віддаленим джерелом напруги – одиночний СД”, так і для комплексу “мережа з віддаленим джерелом напруги – два СД, що одержують живлення від неї”, аналіз результатів і одержання областей безударного включення; у [12] – розробка універсальної математичної моделі комплексу “мережа з віддаленим джерелом напруги – два СД, які одержують живлення від неї”, дослідження на отриманій моделі прямого пуску СД при різних режимах роботи стороннього СД, і оцінка впливу цих режимів на мережу і обох СД;

Апробація результатів дисертації.

Основні наукові положення і результати дисертації доповідалися на чотирьох конференціях: двох міжнародних науково-технічних конференціях: “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” у м. Алушта, 1996 р., “Комп'ютерні технології у науці, освіті і промисловості” у м. Дніпропетровську в 2001 р.; I Усеукраїнській науково-технічній конференції аспірантів і студентів “Автоматизація технологічних об’єктів і процесів. Пошук молодих” у м. Донецьку в 2001 р. і науково-технічній конференції “Проблеми розвитку Криворізького залізорудного басейну” у м. Кривий Ріг у 2002 р.

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 12 наукових праць, у тому числі: 10 статей у виданнях, рекомендованих ВАК України, 2 – статті за матеріалами конференцій.

Структура й обсяг роботи.

Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів з висновками з кожного розділу, загальних висновків, переліку використаних джерел і 17 додатків. Дисертаційна робота містить 260 сторінок наскрізної нумерації, у тому числі - 134 сторінки тексту основної частини з 74 рисунками, перелік використаних джерел з 93 найменувань на 9 сторінках і додатки на 116 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми і показано ії зв'язок з науковими програмами і темами, сформульовані мета та основні наукові і практичні задачі дослідження, викладені наукові положення, які захищаються, показано наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів, а також рівень апробації результатів роботи, кількість публікацій за темою та особистий внесок автора.

У першому розділі виконано аналіз стану проблеми запуску синхронних двигунів кар'єрних екскаваторів. Відомо, що традиційний прямий пуск СД супроводжується негативними явищами: значні (30-40%) зниження живильної напруги, прискорене старіння ізоляції обмоток СД через їх перегрів, низька селективність максимально-струмових захистів через значні величини пускових струмів СД. Відомі у практиці способи забезпечення належної якості напруги живлення нездатні цілком вирішити проблему при пусках потужних СД. З метою вирішення задачі полегшення пусків СД дана порівняльна характеристика існуючих варіантів пуску потужних СД, з яких найбільш придатної для запуску синхронних СД кар'єрних екскаваторів була обрана використовувана у даний час система пуску СД за допомогою допоміжного розгінного двигуна за схемою рис.1, яка називається надалі “системою полегшеного пуску”. Допоміжним розгінним двигуном у даному випадку служить один із генераторів постійного струму, які входять до складу електромашинного перетворювального агрегату кар'єрного екскаватора. Керований випрямлювач одержує живлення від трансформатора власних потреб екскаватора.

В другому розділі була здійснена розробка математичної моделі. Мережа з віддаленим джерелом напруги у роботі представляється у вигляді двох індивідуальних ліній живлення двох СД, що розгалужуються від загальної лінії живлення, яка підключена до джерела напруги нескінченної потужності.

Рис.1 Система полегшеного запуску

СД кар'єрного екскаватора

Для узгодження рівнянь загальної лінії живлення із системою рівнянь кожного СД була введена ортогональна система координат, прив'язана до точки розгалуження ліній, ось якої q приймається співпадаючої з вектором Us напруги у точці розгалуження ліній живлення. У такому випадку вплив індивідуальних і загальних ліній електропостачання на електромагнітні процеси обох СД враховується у такий спосіб:

;

де ; ;

; ;

; ;

де - кут між віссю “d” ротора i – го СД і вектором напруги на статорі відповідного СД; – кут між векторами напруги електричної системи Uc і напруги у точці розгалуження ліній живлення Us; , – спадання напруги у індивідуальній лінії живлення i – го СД в осях d і q; , – спадання напруги у загальній лінії живлення обох СД в осях d і q; Xлi, Rлi - індуктивний і активний опір індивідуальної лінії живлення до i–го СД; , , , - проекції струмів і похідних струмів i–го СД на осі d і q; Xлs, Rлs- індуктивний і активний опір загальної лінії живлення обох СД;

Для оцінки достовірності моделі і правильності розробки обчислювальної програми були проведені дослідження включення одиночного СД у мережу способами прямого пуску, самосинхронізації, синхронного і несинхронного включення за різних умов. Достовірність теоретичних досліджень підтверджується прикладами характерних процесів втягування в синхронізм від моменту явнополюсності (рис.2) і переключення обмотки збудження розігнаного прямим способом СД із пускового реостату на джерело живлення (рис.3), а також прикладом випадання із синхронізму СД стороннього екскаватора, що здійснював копання, при прямому пуску основного екскаватора (рис.4, 5).

Рис.2 Кут вибігу ротора СД, який включається, при дії моменту

Явно полюсності | Рис.3 Електромагнітний момент СД при його переключенні на

підсинхронній швидкості з пускового

реостата на збуджувач

Рис. 4. Швидкість СД, що запускається прямим пуском | Рис. 5. Швидкість стороннього СД при прямому пуску

На підставі вивчення графіків перехідних процесів умовами безударного пуску були обрані, по-перше, гранична величина електромагнітного моменту, яка дорівнює величині моменту короткого замикання збудженого СД, при якій заводом-виготовлювачем гарантується номінальний термін служби СД. По-друге, величина напруги мережі на затисках статора одиночного СД або в точці розгалуження живлення двох СД, яка дорівнює граничній величині зниження напруги, що допускається технічними нормативами.

Дослідженнями взаємовпливу між СД, які працюють від однієї лінії, при різних пускових режимах одного з них (прямий пуск, самосинхронізація, несинхронне включення і точна синхронізація) і робочих режимах іншого (холостий хід, скидання навантаження, накид навантаження і сталість навантаження на валові), установлено, що найбільше погіршення показників перехідних процесів (максимумів електромагнітних моментів обох СД і спадання напруги у точці розгалуження лінії) настає у ході накиду або сталості максимального технологічного навантаження на валові СД стороннього екскаватору.

При моделюванні режиму самосинхронізації СД, який запускається, установлено, що при холостому ході стороннього СД можливі зневажливо малі (тривалістю 0.01 с) неприпустимі (нижче 0.85 Uн) зниження напруги в лінії. Однак при накиді навантаження на вал стороннього СД тривалість неприпустимого зниження напруги зростає до 0.16 с., що вже може несприятливо позначитися на інших електроприймачах, підключених до тієї ж мережі.

Моделювання процесу точної синхронізації СД із мережею показали, що навіть при накиді максимального навантаження на вал стороннього СД параметри режиму обох СД і мережі залишаться у припустимих межах.

Дослідження на моделі впливу помилок при управлінні процесом несінхроного включення в мережу ( при ковзанні 0.05 і куту включення 5 эл.град.) показали, що граничні значення електромагнітного моменту і зниження напруги перевищені не будуть, відкіля випливає можливість використання блоку керування точною синхронізацією невисокої точності.

Установлено, що при розгоні перетворювального агрегату екскаватора від нульової до підсинхронної швидкості за допомогою системи полегшеного пуску пускове спадання напруги знизиться приблизно у 20 разів у порівнянні зі спаданням напруги при прямому пуску, причому вимоги ДСТ 13109-97 будуть дотримуватись.

У третьому розділі був використаний апарат теорії планування експериментів з метою визначення меж допустимості включення СД у мережу на базі обраних у розділі 2 умов безударного включення. Цільові функції були отримані як для пуску одиночного СД, так і для СД, який запускається разом із стороннім СД, що працює від тієї ж мережі електропостачання, за умови його найбільшого збурювання на режим мережі – накиді максимального навантаження на вал СД. Цільові функції були отримані для двох режимів пуску СД: самосинхронізації з мережею та несинхронного включення у мережу. Незалежними один від одного факторами при плануванні експериментів для одиночного СД були прийняті такі:

; ; ; ; L; Mмех; ; s.

де - активний опір демпферної обмотки по подовжній осі; - активний опір обмотки збудження; - надперехідний індуктивний опір по подовжній осі; - синхронний індуктивний опір по подовжній осі; L – довжина повітряної лінії від екскаватора до мережі нескінченної потужності; Mмех – момент опору холостого ходу на валові СД, який запускається ; - зсув фаз між напругами мережі і напругою, що наводиться струмом збудження в обмотці статора; ковзання ротора. Необхідність урахування перших чотирьох факторів обумовлюється тим, що вони є домінуючими параметрами, які обумовлюють відповідно пусковий струм (), пусковий момент (), вхідний момент () і синхронний режим СД (). Складові напруг живлення статорної обмотки і залежать у кінцевому результаті від режиму роботи і довжини L живильної СД лінії. Впливом напруги на обмотці збудження на режим роботи СД зневажаємо, тому що при дослідженні режиму самосинхронізації ця напруга відключена від ОЗ, а при дослідженні режиму несинхронного включення, як було встановлено у розділі 2, зміна напруги збудження на

5 % практично не позначається на показниках перехідних режимів. При цьому передбачається, що регулятор збудження відпрацьовує рівність напруг СД і мережі.

Однак, одного виразу адекватної функції відгуку для всієї отриманої області визначення отримати не вдається. Адекватні функції відгуку виявилося можливим одержати тільки при розсіченні області визначення функції відгуку на чотири підобласті, які відрізняються одна від одної тільки сполученням знаків кутів включення і ковзань, тобто:

> 0 і s > 0; > 0 і s < 0; < 0 і s > 0; < 0 і s < 0

При цьому, знакоперемінні моменти, які розраховані в експериментах, необхідно приймати тільки одного знаку, що значно підвищує адекватність.

Наприклад, для максимального зниження напруги при самосинхронізації одиночного СД із мережею з віддаленим джерелом напруги, одержана функція відгуку має такий вигляд:

Umin = 0.8153 + 0.0026 + 0.0235+ 0.0014– 0.0536L + 0.0006 – 0.006s – 0.00102 – 0.00092 – 0.00372 – 0.00132 + 0.0023L2 – 0.0009Mмех2 – 0.0065 2 – 0.0015s2 – 0.0008 + 0.0002 + 0.0005L – 0.0003 + 0.0002 + 0.0005L– 0.0003 + 0.0002s– 0.0001 + 0.0049L + 0.001 + 0.0003s + 0.0003L – 0.0007 + 0.0001s – 0.0001L – 0.0013Ls – 0.0017s

Максимальне зареєстроване відхилення значення одержаної функції відгуку в порівнянні зі значенням, одержаним у ході розрахунку перехідного процесу, складає приблизно 0.6 %.

Щоб установити, як будуть змінюватися максимальні зниження напруги в ході протікання процесу самосинхронізації при найжорсткіших у практиці умовах, за допомогою засобів лінійного програмування з математичного пакету Mathcad був знайдений максимум функції відгуку. Він має місце при таких величинах змінних функції відгуку:

= 0.06 в.о.; = 0.0019 в.о.; = 0.26 в.о.; = 1.213 в.о.;

L = 0 км; Mмех = 0.055 в.о.; = 229.5 ел.град.; s = – 0.058.

Підставивши усі одержані значення (крім значення довжини живильної лінії L) у функцію відгуку, одержимо графічну залежність максимального зниження напруги у функції довжини живильної лінії (рис. 6). З цього рисунку видно, що гранично припустиме зниження напруги, за величиною рівне 0.85Uн,

Рис. 6. Максимальне зниження напруги на затисках статора СД у ході його самосинхронізації з мережею, при найжорсткіших умовах протікання процесу

буде досягнуто при довжині живильної лінії трохи меншої 3 км. Тому що довжини живильних ліній у кар'єрах можуть досягати довжин більш 5 км, то при неприпустимості зниження напруги на величини, менші чим 0.85Uн, від включення СД у мережу способом самосинхронізації варто відмовитися.

На рис. 7. приведено результат дослідження несинхронного включення для одиночного СД, який працює від мережі з віддаленим джерелом напруги:

Рис. 7. Межі області безударного несинхронного включення

одиночного СД по максимуму його електромагнітного моменту

Аналогічний результат для СД, який запускається разом зі стороннім СД, на валу якого максимальне навантаження, представлений на рис. 8. Можна побачить, що незважаючи на додаткове навантаження у виді стороннього СД, несинхронне включення одиночного СД по електромагнітному моменту включення ставить більш жорсткі вимоги до умов протікання процесу, ніж аналогічний режим у складі групи електродвигунів.

Рис. 8. Межі області безударного несинхронного включення по максимуму електромагнітного моменту СД , що запускається від мережі,

від якої працює СД стороннього екскаватору

На рис.9 наведені аналогічні графіки для двигуна стороннього екскаватору за тих самих умов:

Рис. 9. Межі області безударного несинхронного включення СД, який запускається, по максимуму електромагнітного моменту СД стороннього екскаватору

Порівнюючи рис. 8, 9, видно, що режим роботи стороннього СД ставить значно менш жорсткі вимоги до умов протікання режиму несинхронного включення, ніж режим двигуна, який несинхронне включається.

При вивченні меж області припустимості з напруги живлення несинхронного включення як одиничного СД, так і у складі групи можна зробити висновок, що в остаточному підсумку найбільш жорсткі умови до протікання процесу несинхронного включення ставляться режимом включення одиночного СД, так що для обґрунтування структур і пристроїв керування точною синхронізацією СД із мережею варто використовувати цільову функцію режиму несинхронного включення одиночного СД у мережу по електромагнитному моменту.

У четвертому розділі були розглянуті два різних варіанти схемної реалізації систем полегшеного запуску: за допомогою ослаблення потоку або використання так званого “генератора вольтодобавки” (ГВД) (рис.10). Пошук різних варіантів був обумовлений тим, що вихідна напруга трансформатора власних потреб не дозволяє на виході керованого випрямлювача одержати напругу, рівну номінальній напрузі ВРД, а отже, досягти синхронної швидкості агрегату.

Рис.10. Варіант системи полегшеного запуску СД кар'єрного екскаватора при використанні генератора вольтодобавки

На підставі одержаних у розділі 3 меж допустимості несинхронного включення одиночного СД було проведене обґрунтування структури універсального пристрою керування точної синхронізацією з мережею і був розроблений аналоговий блок точною синхронізацією (БТС) з мережею на рівні принципових схем. Також на рівні блок-схем було запропоновано мікроконтролерний варіант пристрою точної синхронізації, який можна реалізувати на будь-якому сімействі мікроконтролерів з досить високою швидкодією.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дане нове рішення науково-технічної задачі, що полягає у встановленні закономірностей взаємовпливу системи “синхронний двигун – мережа з віддаленим джерелом напруги” і обґрунтуванні раціональних силовий схеми системи полегшеного запуску, режиму запуску, умов запуску і системи керування запуском потужних СД в умовах мереж з віддаленим джерелом напруги для забезпечення підвищення терміну служби СД і необхідної якості електроенергії на затисках живлення СД, які запускаються. Його сутність – у встановленні діапазону раціональних кутів включення і ковзань, дотримання яких при включенні будь-якого збудженого екскаваторного СД у будь-яку кар'єрну мережу не викликає порушень режиму кар'єрної мережі і власне СД.

Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень полягають у наступному.

1. Встановлено, що найбільш раціональною є використовувана на окремих екскаваторах система полегшеного пуску на основі допоміжного розгінного двигуна (ДРД). Такі системи дозволяють на етапі попереднього розгону перетворювального агрегату до підсинхронної швидкості значно зменшити пускові зниження напруги у кар'єрній мережі (приблизно у 20 разів) у порівнянні зі зниженнями при прямому пуску, а також наприкінці розгону агрегату керувати початковими умовами включення СД у мережу. Однак, у використовуваних системах полегшеного запуску, як правило, етап попереднього розгону СД закінчується процесом його самосинхронізації з мережею, у ході якого виникають значні кидки струму і зниження рівня напруги. Звідси випливає необхідність дослідження питання обмеження пускових кидків струму і знижень напруги за допомогою використання у розглянутих системах полегшеного пуску керування режимами самосинхронізації або несинхронного включення СД у мережу.

2. Установлено, що безударний пуск СД від мереж з віддаленим джерелом напруги можливий за умови виконання (дотримання) наступних показників пускових режимів: гранична величина зниження напруги не менш ніж 0.85Uн і гранична величина електромагнітного моменту СД не більш значення моменту короткого замикання СД, регламентованого вимогами до умов експлуатації СД.

3. Виявлено, що при найбільш сприятливих умовах протікання процесу самосинхронізації СД з мережею, від якої також живиться СД стороннього екскаватору, режими мережі і СД стороннього екскаватора найбільш несприятливі, причому електромагнітний момент СД стороннього екскаватора може перевищить гранично припустиме значення.

4. Показано, що якщо включення збудженого СД у мережу здійснювати після точної синхронізації його з мережею, то при максимальному збурюванні з боку СД стороннього екскаватора електромагнітний момент включення СД, який запускається, складе 0.186 в.о. при максимальному зниженні напруги на 4.3 % від Uном. Максимум електромагнітного моменту СД стороннього екскаватора, на відміну від режиму самосинхронізації, залишиться у припустимих межах.

5. Установлено, що несинхронне включення у мережу при значному відхиленні кутів включення (до 5 ел. град) і ковзань (до 0.05) від умов точної синхронізації, на відміну від режиму самосинхронізації, є більш сприятливим режимом, тому що не виводить показники режимів СД і мережі за гранично припустимі значення. Відхилення в 5 % по напрузі викликає перехідний процес, що практично не відрізняється від процесу при точній синхронізації по напрузі ні якісно, ні кількісно.

6. Виявлено, що при самосинхронізації одиночного СД із віддаленим джерелом напруги через повітряну лінію з проводами типу АС-120 довжиною більш 3 км умови включення, при яких не буде порушений режим живильної мережі, відсутні. Ця обставина змушує відмовитися від використання у практиці включення екскаваторного СД у протяжну мережу методом самосинхронізації, тому що у кар'єрах довжини повітряних ліній можуть досягати 4-5 км.

7. Установлено, що для несинхронного включення СД у протяжну мережу найбільш жорсткі вимоги до обмеження максимуму електромагнітного моменту пред'являються у випадку, коли в мережу включається одиночний СД, на відміну від випадку, коли від тієї ж мережі одночасно з СД, який запускається, працює СД іншого екскаватора. У такому випадку раціональними умовами несинхронного включення СД є умови, отримані для одиночного СД, і вони лежать у межах кута включення від –10 до +10 ел. град. і ковзання від –0.05 до +0.05. Отримана область є основою для розробки універсального блоку керування безударним пуском.

8. На рівні принципових схем розроблено блок керування, цілком здійснюючий процес полегшеного пуску від розгону перетворювального агрегату з нульової швидкості до включення СД у мережу з точною синхронізацією. Зазначений блок було випробувано у лабораторних умовах на стенді, який імітує електромашинний перетворювальний агрегат кар'єрного екскаватора. У ході випробувань відзначено, що розгін перетворювального агрегату відбувається із заданим рівнем струмообмеження і закінчується включенням СД у мережу практично без сплесків струму.

9. Впровадження систем полегшеного пуску тільки на 8 кар'єрних екскаваторах, які працюють на ділянці видобутку руди в умовах кар'єру ІНГЗК (м. Кривий Ріг), дозволить підняти продуктивність видобутку руди на 0.119 % за рахунок зниження кількості простоїв, обумовлених заміною СД і швидким успішним включенням у мережу СД після короткочасних перерв живлення. Заміна частини проводів повітряних ліній на проводи меншого перетину дозволить ІНГЗК одержати річний економічний ефект у 356186 грн. Строк окупності при цьому складе 1.56 року.

Основні наукові положення та результаті дисертації опубліковано в наступних роботах:

1. Сёмочкин А.Б. Система точной синхронизации с сетью синхронных двигателей преобразовательных агрегатов // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. – Вып.1/1998. – Кременчуг: КГПУ, 1998 – С.129–135.

2. Сёмочкин А.Б., Синолицый А.Ф. Режимы питающей сети при использовании облегченного запуска синхронных двигателей систем электропривода “Генератор-двигатель” // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. – Вып.2/2000(9). – Кременчуг: КГПУ, 2000 – С.29–36.

3. Синолицый А.Ф., Сёмочкин А.Б. Моделирование режимов пуска синхронных двигателей в условиях разветвленной питающей сети // Сборник научных трудов НГА Украины. – № 11. – Т. 2 – Днепропетровск: РИК НГА Украины, 2001.– С.135–139.

4. Синолицый А.Ф., Сёмочкин А.Б. Взаимовлияние пусковых и рабочих режимов синхронных двигателей в сети группового питания // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. – Вып.1/2001(10). – Кременчуг: КГПУ, 2001. – С.297-299.

5. Синчук О.Н., Синолицый А.Ф., Сёмочкин А.Б. Режимы питающей сети и синхронных двигателей при самосинхронизации на сеть ограниченной мощности // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”: Збірка наукових праць. – Тематичний вип. 10.– Харків, НТУ ХПІ, 2001.– С.186189.

6. Синолицый А.Ф., Сёмочкин А.Б. Оценка возможности снижения сечения линии, питающей карьерные экскаваторы, при использовании систем облегченного запуска преобразовательных агрегатов // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды Кременчугского государственного политехнического университета. – Вып.2/2001(11). – Кременчуг: КГПУ, 2001.

7. Синолицый А.Ф., Сёмочкин А.Б. Процессы взаимовлияния синхронных двигателей (СД) при синхронном и не синхронном включении возбужденного СД в сеть ограниченной мощности // Горная электромеханика и автоматика: Научно-технический сборник. – 2001. – Вып. 67. – С. 33–37.

8. Синолицый А.Ф., Сёмочкин А.Б. Процессы взаимовлияния синхронных двигателей (СД) при синхронном включении в сеть ограниченной мощности // Разработка рудных месторождений. – Вып. 77. – Кривой Рог: КТУ. – 2001. – С. 76–81.

9. А.Б. Сёмочкин, А.Ф. Синолицый О влиянии режима самосинхронизации синхронных двигателей на предельное снижение напряжения карьерных сетей // Вісник КТУ: Збірник наукових праць. . – Вип. № 2. – Кривий Ріг: КТУ, 2003. – С. 12–15.

10. Сёмочкин А.Б., Синолицый А.Ф. Обоснование рациональных условий несинхронного включения экскаваторного СД в условиях карьерных сетей ограниченной мощности. Научн. труды Кременчугского государственного политехнического университета. – Вып.6/2003(23). – Кременчуг: КГПУ, 2003. – С. 38–43.

11. Семочкин А. Б., Черный А. П., Родькин Д. И. Комплексные системы запуска синхронных двигателей агрегатов Г–Д // Труды научно–технической конференции с международным участием “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. – 16–21 сентября 1996.– Крым, Алушта. – С. 186.

12. Сёмочкин А.Б., Синолицый А.Ф. Режимы питающей сети и синхронных двигателей при самосинхронизации одного из них на сеть // I Всеукраїнська науково–технічна конференція аспірантів та студентів “Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих”: Збірник наукових праць, 15–16 травня 2001. – Донецьк: ДонДТУ. – С.195–198.

Анотація

Сьомочкин А. Б. Режими і системи полегшеного запуску синхронних двигунів перетворювальних агрегатів кар'єрних екскаваторів в умовах мереж з віддаленим джерелом напруги. – Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – Електротехнічні комплекси й системи. – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертація присвячена поліпшенню показників якості електричної енергії (зниження напруги) і якості перехідних процесів двох потужних синхронних двигунів (максимуми електромагнітних моментів), які живляться від мережі з віддаленим джерелом напруги, при пуску одного з них від цієї мережі.

Для вирішення задачі поліпшення показників якості енергії і перехідних процесів синхронних двигунів у зазначеному електротехнічному комплексі була розроблена математична модель для дослідження перехідних процесів двох синхронних двигунів, які живляться від мережі з віддаленим джерелом напруги. До одержаної математичної моделі двох синхронних двигунів і мережі були застосовані засоби теорії планування експериментів, з метою відшукання функцій відгуку електромагнітного моменту синхронних двигунів і зниження напруги в точці підключення обох синхронних двигунів. На отриманих функціях відгуку за допомогою методів лінійного програмування було встановлено, що використовуваний у даний час спосіб пуску самосинхронізацією синхронного двигуна з мережею не забезпечує раціональних умов протікання пуску. За допомогою функцій відгуку, задавши максимально припустимі значення електромагнітного моменту включення і зниження напруги в мережі, були визначені діапазони кутів включення і ковзань синхронного двигуна, який включається несинхронно, у мережу. Одержані границі допустимості несинхронного включення в мережу послужили основою для розробки універсального пристрою керування точною синхронізацією з мережею.

Ключові слова: синхронний двигун, самосинхронізація, точна синхронізація, несинхронне включення, система полегшеного пуску, групове живлення, максимальний електромагнітний момент, зниження напруги.

Аннотация

Сёмочкин А. Б. Режимы и системы облегченного запуска синхронных двигателей преобразовательных агрегатов карьерных экскаваторов в условиях сетей с отдаленным источником напряжения. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы. – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2004.

Диссертация посвящена улучшению показателей качества электрической энергии (понижение напряжения) и качества переходных процессов двух мощных синхронных двигателей (максимумы электромагнитных моментов), питающихся от сетей с отдаленным источником напряжения, при пуске одного из них от этой сети.

Выполнен анализ состояния проблемы запуска синхронных двигателей