/ Журнал «Промышленная Энергетика», 2011 - № 5, стр. 44-49
Создание имитационной модели для выявления искажений форм кривых токов и напряжений в сетях рудников.
Массов А. А., Козлов П. М., инженеры
Норильский индустриальный институт
Кумаритов Б. X., инж.
Инженерно-технический центр, Норильск
Кирилин И. В., инж.
Сибирский федеральный университет, Красноярск
Обоснована актуальность проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) для систем электроснабжения горнодобывающих предприятий. Дан анализ состава электроприемников рудничных сетей и характерного узла нагрузки (УН). Предложена методика оценки показателей качества электрической энергии (ПКЭ) с помощью имитационного моделирования (ИМ) электромагнитных процессов в Matlab/Simulink. Приведены модели и результаты моделирования отдельных нелинейных электроприемников УН рудника.
Одна из основных причин нарушения ЭМС УН современных промышленных предприятий и рудничных сетей — повсеместное применение для привода технологического оборудования преобразовательной техники. Эксплуатация в сетях общего назначения нелинейных элементов обусловливает появление сложных гармонических колебаний различных частот, вызывающих дополнительные потери электроэнергии и снижение ее качества. В Норильской энергосистеме нарушения качества электроэнергии усугубляются значительными провалами напряжения вследствие КЗ в сети 110 кВ с линиями электропередачи (ЛЭП) малой протяженности (средняя длина распределительных сетей составляет 7 км, за исключением ЛЭП 110 кВ, питающей потребителей г. Дудинка). По свидетельству эксплуатационного персонала горнодобывающих предприятий, во время работы подъемных и вентиляционных установок неоднократно возникали случаи срабатывания устройств релейной защиты и автоматики, связанные с нарушением ПКЭ. Эти данные подтверждаются результатами исследований, проведенных в рудничных сетях в разное время, в частности, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения составлял 40 %.
Известно, что подъемные машины относятся к резкопеременной нагрузке. На рис. 1 представлена тахограмма работы скиповой подъемной машины (СПМ) в цикле подъема руды, из которой видна длительность основных установившихся и неустановившихся этапов. Суммарная длительность переходных режимов в общем цикле достигает 25 % и характеризуется усилением уровня электромагнитного воздействия на сеть с постоянно меняющимся спектром гармонических составляющих напряжения и тока.
Рис. 1. Тахограмма работы СПМ в полном цикле подъема руды V=f(T) и соответствующая ей диаграмма изменения
коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения KU=f(T):
-пуск; 
-разгон; 
-равномерное движение;
-торможение; 
-дотягивание; 
-останов;
Установить истинную причину нарушений ПКЭ для группы электроприемников различного типа одного из УН с учетом особенностей питающей сети весьма затруднительно. Однако для разработки комплекса мероприятий по повышению КЭ таких сетей, а тем более системы управления параметрами режима, необходима достоверная информация о виновниках его нарушения. Сегодня выявить с определенной достоверностью долю участия в нарушениях ЭМС отдельных электроприемников можно путем проведения: натурных экспериментов на реальном объекте с непосредственным измерением ПКЭ специальными приборами, установленными на каждом электроприемнике сети и на общих шинах [1], теоретических расчетов ПКЭ с помощью математической модели узла нагрузки.
Осуществление натурных испытаний ввиду сложности их организации и необходимости вмешательства в технологический процесс предприятия практически невозможно. Кроме того, для достижения максимальной достоверности результатов экспериментов нужен локальный источник питания, исключающий влияние на общую сеть электроприемников, не входящих в состав рассматриваемого УН. Учитывая также, что в большинстве известных приборов для измерения ПКЭ фиксируются только усредненные значения переменных, т. е. информация о мгновенных значениях параметров режима, отражающих динамику исследуемых процессов, пользователю недоступна, можно считать применение первого метода выявления нарушителей ПКЭ УН нецелесообразным.
Недостатками теоретических расчетов определения доли вклада в нарушения ПКЭ узла нагрузки отдельных электроприемников являются прежде всего их громоздкость и сложность из-за необходимости создания математических моделей всех электроприемников УН и учета режимов их работы.
Для решения указанной задачи наиболее целесообразно использование ИМ, являющегося, по сути, программной реализацией теоретических расчетов ПКЭ с помощью математической модели УН. К числу наилучших программных продуктов, обеспечивающих достоверность результатов виртуальных экспериментов в области электроэнергетики, относятся система Matlab с пакетом расширений Simulink [2] и библиотека Power Systems Blockset (SimPowerSystems в версии MATLAB 6.2 и более поздних версий), разработанная для исследований электроэнергетических систем и научно подтвержденная результатами испытаний в лаборатории моделирования Hydro-Quebec Канады [3]. Используя библиотеки Simulink и SimPowerSystems, можно имитировать работу электротехнических устройств в любой временной области, в частности, осуществлять гармонический анализ токов и напряжений в динамическом режиме [4]. Для такого анализа ПКЭ в сетях горнодобывающих предприятий необходимо обоснование структуры сети и состава электроприемников характерного узла нагрузки.
Электроприемники горнодобывающих предприятий Норильского промышленного района (НПР) суммарной мощностью около 170 МВт (12 % общей мощности энергосистемы) получают питание от 13 ГПП 110/6 кВ глубокого ввода. Распределение электроэнергии в сети предприятий осуществляется в основном по двухступенчатой радиальной схеме с помощью распределительных подстанций. Рудники НПР относятся к предприятиям с подземной добычей, в которых приемники электроэнергии располагаются как на поверхности — в помещениях скиповых, вентиляционных, клетьевых и закладочных стволов (80 %), так и в подземных выработках (20 %). Около 40 % всей нагрузки составляют высоковольтные и низковольтные асинхронные двигатели (АД), 15 % — синхронные двигатели (СД) и 29 % — потребители, имеющие в своем составе элементы силовой преобразовательной техники. Остальная часть электроэнергии потребляется статическими электроприемниками.
К основным электроприемникам на поверхности относятся:
приводы подъемных установок мощностью 4000 - 8000 кВт, выполненные по схеме тиристорный преобразователь — двигатель постоянного тока (ТП - Д);
приводы переменного тока вентиляторов главного проветривания на базе АД с фазным ротором, собранных по системе асинхронно-вентильных каскадов (АВК) мощностью 2500 - 6000 кВт;
приводы компрессоров, дробильных комплексов, насосов на базе АД с прямым пуском или СД с тиристорным регулятором возбуждения мощностью 1000 - 2500 кВт.
Анализ схем электроснабжения горно-добывающих предприятий НПР позволяет с достаточной уверенностью считать, что УН, представленный указанными видами электроприемников, является характерным. Очевидно, что для выяснения причин нарушения его ЭМС, т. е. определения вклада отдельных потребителей в искажение форм кривых токов и напряжений, необходимо провести ИМ работы как отдельных потребителей, так и всего УН в целом. Для исследования ПКЭ в сети характерного УН осуществим ИМ некоторых электроприемников из его состава, например, СПМ, выполненной по системе ТП - Д (рис. 2), и электропривода главной вентиляционной установки (ГВУ), реализованного по системе АВК (рис. 3).
Рис. 2. Однолинейная схема СПМ:
Т1, Т2 – трансформаторы; М – якорь двигателя постоянного тока; ОВД – обмотка возбуждения двигателя;
ТП1, ТП2 – тиристорные преобразователи напряжения; L1, L2 – сглаживающие дроссели.
С целью использования разработанной имитационной модели при исследованиях различных электроприемников, т. е. для обеспечения ее универсальности, а также дальнейшего развития выполним модель в виде отдельных подсистем. Модель для исследования СПМ (рис. 4) включает в себя: источник переменного напряжения (AC Voltage Source); трехфазный двухобмоточный трансформатор ПШ (Threephase Transformer); измерители токов (Current Measurement) и напряжений (Votlage Measurement); линии с распределенными параметрами (Pi Section Line 1-3); блоки передачи сигналов в рабочую область (То Workspace 1, 2); осциллографы (Scope 1-3); задатчик желаемой тахограммы движения СПМ (Refered speed); блок задания механического момента на валу двигателя (Мес_Т); подсистему TPD.
Рис. 3. Однолинейная схема ГВУ:
Т- трансформатор; М – электродвигатель; В – выпрямитель; И – инвертор; L – сглаживающий дроссель. .
Для задания в блоке Refered speed
тахограммы движения двигателя (см. таблицу) необходимо выразить линейную
скорость подъемного сосуда v через частоту вращения двигателя v:
v = 
(где r
— радиус барабана). Заданная тахограмма передается в подсистему TPD, в которой
реализуется схема на рис. 2. Напряжение в цепь якоря подается посредством двух
трехфазных 12-пульсных преобразователей ТП1 и ТП2, соединенных
встречно-параллельно. Это позволяет обеспечить протекание тока статора в обоих
направлениях и, как следствие, — реверсивную работу привода. Преобразователи
питаются от двух вторичных обмоток согласующего трехфазного трансформатора
(подключенного к трансформатору ГПП), соединенных соответственно по схеме
"звезда" и "треугольник".
Рис. 4. Схема имитационной модели СПМ, выполненной по системе ТП-Д.
Подсистема TPD (рис. 5) состоит из: трехфазного двухобмоточного согласующего трансформатора (Three-phase Transformer), шестипульсных тиристорных преобразователей (thyristor Yl, thyristor Y2, thyristor Dl, thyristor D2); двигателя постоянного тока (DC Machine); измерителей токов (Current Measurement) и напряжений (Votlage Measurement); подсистемы Control System.
Рис. 5. Схема подсистемы TPD.
|
Время цикла, с |
Режим работы |
Продолжительность режима, с |
Линейная скорость сосуда, м/с |
Частота вращения двигателя, об/мин |
|
0,4 |
Пуск |
4 |
0-1 |
0-3 |
|
4-19 |
Равномерное движение 1 |
15 |
1 |
3,03 |
|
19-34 |
Разгон |
15 |
1 - 12 |
3,03 - 36,3 |
|
34-108 |
Равномерное движение 2 |
74 |
12 |
36,3 |
|
108-130 |
Торможение |
22 |
12-0,5 |
36,3-1,51 |
|
130-153 |
Дотягивание 2 |
23 |
0,5 |
1,51 |
|
153-157 |
Останов |
4 |
0,5 |
1,51-0 |
Подсистема Control System содержит систему управления приводом, основные технические данные которого приведены ниже:
Номинальная мощность двигателя, кВт……………..…………4200
Напряжение якоря, В……………..……………..……………….930
Ток якоря, А……………..……………..……………..…………4940
Напряжение возбуждения, В……………..……………..………110
Ток возбуждения, А……………..……………..……………..…420
Частота вращения, об/мин……………..……………..…………40
Номинальное напряжение, В, тиристорного агрегата:
якорной цепи……………..……………..……………..…………830
цепи возбуждения……………..……………..……………..……400
Номинальный ток, А, тиристорного агрегата:
якорной цепи……………..……………..……………..…………1244
цепи возбуждения……………..……………..……………..……498
Напряжение первичной (вторичной) обмотки, В:
трансформатора Т1……………..……………..………………...6000 (1050)
трансформатора Т2……………..……………..………………...6000 (400)
Данная подсистема включает в себя контроллеры частоты вращения и тока. Контроллер частоты вращения на основе приведенных исходных данных привода рассчитывает желаемый ток статора, который подается в контроллер тока, регулирующий угол открытия тиристорных групп (thyristor Yl, thyristor Y2 и thyristor Dl, thyristor D2). Благодаря этому создается необходимый для достижения желаемой частоты вращения электромагнитный момент.
На рис. 6 изображены графики изменения тока якоря и частоты вращения двигателя постоянного тока, полученные при моделировании.
Рис. 6. Графики тока якоря и частоты вращения двигателя постоянного тока.
Для оценки гармонического состава питающего напряжения используется анализатор гармоник из пакета расширения Signal Processing Toolbox с помощью блока То Workspace. Анализ спектра гармонических составляющих кривых напряжений показывает, что при равномерном движении подъемного механизма коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения составляет 7,46 % с преобладанием в спектре 11, 13, 23, 25, 35 и 37-й гармоник, а при разгоне — 10,73 % с преобладанием только 11-й и 13-й гармоник.
Моделирование электропривода ГВУ (см. рис. 3) осуществляется путем включения в роторную цепь АД полупроводниковых неуправляемых вентилей выпрямителя В и управляемых вентилей ведомого сетью инвертора И, а также катушки индуктивности L, служащей для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. Трансформатор Т предназначен для согласования напряжения сети и напряжения ротора двигателя. При создании модели использовали АД типа АКС-17-76-12 (Рном = 3200 кВт, UHOM = 6000 В, nном = 45 об/мин); преобразовательный агрегат ТДП-2-2500/400 2Т (IНОМ = 2500А, UНОМ = 400В); согласующий трансформатор ТСЗП 1000/10 УЗ.
Модель для исследования АВК (рис. 7) состоит из следующих основных блоков: источника переменного напряжения (AC Voltage Source); трехфазного двухобмоточного трансформатора ГПП (Three-phase Transformer 1); измерителей токов (Current Measurement) и напряжений (Votlage Measurement); линий с распределенными параметрами (Pi Section 1 - 3); блоков передачи сигналов в рабочую область (То Workspace 1-2); осциллографа (Scope); асинхронного двигателя (Asynchronous Machine SI Units); трехфазного двухобмоточного согласующего трансформатора (Three-phase Transformer 2); управляемого тиристорного преобразователя (Thyristor converter); ведомого сетью инвертора (Diode recifitier); блока задания механического момента на валу двигателя (Мес_Т Motor).
В связи с тем, что вентиляторы ГВУ работают в спокойном режиме, система управления их приводом разрабатываться не будет. Угол открытия тиристоров задается вручную с помощью блоков Constant 1 и 2 (см. рис. 7). Анализ кривой питающего напряжения и спектра гармонических составляющих ИМ ГВУ показывает, что в нем присутствуют гармоники, характерные для реального электропривода, работающего по системе АВК, т. е. 5, 7, 11, 17 и 19-я.
Рис. 7. Имитационная модель АВК.
Таким образом, исследование с помощью ИМ ПКЭ в сети с СПМ и АВК при типичном режиме их работы позволяет получить графики изменения напряжения с искажениями, характерными для УН рудничных сетей НПР. Моделирование остальных электроприемников УН рудников даст возможность определить состав гармоник при их раздельной и совместной работе. Положительным итогом моделирования можно считать получение всех характерных искажений кривых напряжения в рудничных сетях, что будет служить основой для разработки методики выявления виновников искажения ПКЭ УН.
Список литературы
1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
2. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink. - М.: ДМК Пресс, 2008.
3. SimPowerSystems for use with Simulink. User's Guide.
4. Version 3. — Hydro-Quebec and The MathWorks, Inc. September, 2003.