Компенсація реактивної потужності в пускових режимах асинхронних та синхронних електроприводів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Компенсація реактивної потужності в пускових режимах асинхронних та синхронних електроприводів

Гадай Андрій Валентинович

Вінниця - 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Бурбело Михайло Йосипович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри електротехнічних систем електроспоживання та енергетичного менеджменту

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Варецький Юрій Омелянович, Національний університет „Львівська політехніка”, професор кафедри електричних систем і мереж

доктор технічних наук, професор Кутін Василь Михайлович, Вінницький національний технічний університет, професор кафедри електричних станцій та систем

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Ц. Зелінський

Анотація

асинхронний тиристорний компенсатор

Гадай А.В. Компенсація реактивної потужності в пускових режимах асинхронних та синхронних електроприводів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи. - Вінницький національний технічний університет, м. Вінниця - 2009.

Дисертацію присвячено вирішенню наукового завдання оптимізації пускових режимів асинхронних та синхронних електроприводів в електропостачальних системах обмеженої потужності шляхом підвищення точності та швидкодії регулювання реактивної потужності.

Для аналізу АД в пускових електромеханічних режимах запропоновано новий підхід, в основу якого покладено використання спектральних параметрів. Запропоновано критерії якості пускових процесів асинхронних та синхронних електроприводів, які основані на використанні спектральних провідностей, що дає можливість для оцінювання точності компенсації реактивної потужності під час пуску електроприводів.

Удосконалено математичні моделі аналізу пускових режимів асинхронних та синхронних електроприводів, які базуються на використанні нелінійних диференційних рівнянь в фазних координатах, що дозволяє проаналізувати швидкодіюче компенсування реактивної потужності в пускових режимах асинхронних та синхронних електроприводів.

Удосконалено системи динамічної компенсації реактивної потужності з керуванням за збуренням на основі швидкодіючих вимірювальних каналів з отриманням інформації про активну та реактивну провідності навантаження, що підвищує точність та швидкодію компенсування реактивних навантажень і зменшення провалів напруг.

Розроблено вимірювальні канали для систем динамічного компенсування реактивної потужності асинхронних електроприводів в пускових режимах, швидкодія якого не перевищує половини періоду напруги живлення.

Ключові слова: компенсація реактивної потужності, асинхронний та синхронний електроприводи, пусковий режим, спектральна провідність, статичний тиристорний компенсатор, зниження напруги.

Annotation

Hadaj A.V. Indemnification a reactive-power in the starting modes of asynchronous and synchronous drives. - A manuscript.

The dissertation for the degree of the Candidate of Science (Engineering) on a speciality 05.09.03 - Electrotechnical complexes and systems. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia - 2009.

The dissertation is devoted to the decision of scientific task of optimization of the starting modes of asynchronous and synchronous drives in the systems of power supply of the limited power by the increase of exactness and fast-acting of adjusting of reactive-power.

For the analysis the AM in starting electromechanical modes is offered the new approach in which basis uses of spectral parameters are put. The criteria of quality of starting processes of asynchronous and synchronous drives, which based on the use of spectral conductivities which are given by possibility for the evaluation of exactness of indemnification a reactive-power during starting of electromechanical, are offered.

The mathematical models of analysis of the starting modes of asynchronous and synchronous drives, which are based on the use of nonlinear differential equalizations in phase co-ordinates which have been written down in the matrix form, are developed, which fast-acting indemnification a reactive-power lets to analyses in the starting modes of asynchronous and synchronous drives.

Improved systems of dynamic indemnification the reactive power with the management after indignation on the basis of the high-speed measuring channels with the receipt of information about active and reactive conductivities of loading, which are raised by exactness and speed of indemnification of the reactive loadings and diminishing of failures of voltages.

The measuring channels are developed for systems of dynamic compensation of a reactive power of asynchronous drives in starting modes which fast operation does not exceed half of period of the supply voltage.

Key words: indemnification reactive power, asynchronous and synchronous drives, starting mode, spectral conductivity, static thyristor scray, voltage reduction.

Аннотация

Гадай А.В. Компенсация реактивной мощности в пусковых режимах асинхронных и синхронных электроприводов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Винницкий национальный технический университет, г. Винница - 2009.

Диссертация посвящена решению научной задачи оптимизации пусковых режимов асинхронных и синхронных электроприводов в системах электроснабжения ограниченной мощности путем повышения точности и быстродействия регулирования реактивной мощности.

Для анализа АД в пусковых режимах предложен новый подход, в основу которого положены использования спектральных параметров. Предложены критерии качества пусковых процессов асинхронных и синхронных электроприводов, которые основанные на использовании спектральных проводимостей, которая дает возможность оценивания точности компенсации реактивной мощности во время пуска электроприводов. Для анализа энергетических показателей во время пусковых процессов использованы текущие значения активной и реактивной мощностей, квадрата напряжения и квадрата тока. Введены спектральные проводимости, для определения которых использовано условия эквивалентности между составляющими спектральных сопротивлений и проводимостей, а также спектральный коэффициент мощности.

Разработаны математические модели для исследования пусковых процессов асинхронного двигателя в системах электроснабжения ограниченной мощности. Математические модели базируются на использовании нелинейных дифференциальных уравнений в фазных координатах, записанных в матричной форме, которые разрешает проанализировать быстродействующее компенсирование реактивной мощности в пусковых режимах асинхронных и синхронных электроприводов. Математические модели электрических машин отличаются от традиционных тем, что их дифференциальные уравнения разрешимые относительно первых производных неизвестных по времени, что существенным образом упрощает их интегрирование. Общее интегрирование уравнений электромагнитного и механического состояний дает возможность детально исследовать реальные электромеханические процессы в системе.

Показано, что для управления устройствами компенсации реактивной мощности во время пуска асинхронного двигателя целесообразно использовать спектральные проводимости, что приводит к уменьшению тока статора и посадок напряжения. Наиболее эффективным для управления компенсационными установками является применение в качестве информативного параметра - реактивной проводимости , что обеспечивает полную компенсацию реактивной мощности во время переходных электромеханических процессов асинхронного двигателя. На основе текущих значений проводимости во время пуска асинхронного двигателя установлен необходимый характер регулирования реактивной мощности в пусковом режиме.

Разработаны математические модели и программы расчета пусковых процессов синхронного двигателя. Проведенные исследования показывают, что увеличение сопротивления линии приводит к значительному снижению напряжения, и, следовательно, и к значительному уменьшению пусковых моментов и увеличению продолжительности пуска. Показано, что форсирование тока возбуждения синхронного двигателя может резко изменять реактивную мощность. Но при этом возникают колебания активной мощности, которое требует использования системы автоматического демпфирования колебаний. В случае форсирования тока возбуждение синхронного двигателя, динамическая компенсация реактивной мощности обеспечивает предотвращение снижения напряжения в узле нагрузки.

Определен закон управления статического тиристорного компенсатора системы динамической компенсации реактивной мощности по возмущению. Проанализированы регулировочные характеристики и спектры тока статического тиристорного компенсатора для сетей с изолированной нейтралью со схемой соединения тиристорно-регулированных реакторов в „треугольник”.

Разработаны структурные схемы быстродействующих измерительных каналов для статического тиристорного компенсатора, основанные на использовании ортогональных мгновенных мощностей. Система динамического компенсирования реактивных нагрузок асинхронных электроприводов в пусковых режимах с быстродействующим измерительным каналом обеспечивает быстродействие, не превышающее половины периода напряжения питания.

Ключевые слова: компенсация реактивной мощности, асинхронный и синхронный электроприводы, пусковой режим, спектральная проводимость, статический тиристорный компенсатор, снижение напряжения.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Пускові струми потужних синхронних (СД) та асинхронних (АД) двигунів зумовлюють різке зниження напруги у вузлі мережі. Це спричинює ряд негативних наслідків, до яких можна віднести збільшення тривалості пуску двигунів, зменшення запасу статичної та динамічної стійкості вузлів електричних мереж, зокрема, в електропостачальних системах (ЕПС) обмеженої потужності.

Одним із ефективних заходів підвищення рівня напруги під час пуску двигунів є динамічна компенсація реактивної потужності. Водночас для регулювання силових елементів пристроїв динамічної компенсації реактивної потужності в перехідних режимах необхідним є визначення їх оптимальних параметрів та оцінка ефективності процесу пуску.

Задача вибору оптимальних параметрів в перехідних режимах ускладнюється, оскільки реактивна потужність АД та СД є складною функцією моменту навантаження, напруги у вузлі мережі, яка, в свою чергу, залежить від напруги на шинах підстанції, опорів мережі та двигуна, струму збудження синхронних машин, а також внаслідок нелінійності кривої намагнічування магнітопроводу АД. У зв'язку з цим відсутні еквівалентні пасивні параметри, які можна було б однозначно використовувати як розрахункові в пускових режимах електроприводів, забезпечивши при цьому мінімальний вплив статичних характеристик вузлів навантажень.

В сучасних умовах експлуатації електричних мереж номінальною напругою 6, 10 кВ для забезпечення компенсування реактивної потужності і для мінімізації відхилень напруги при добових змінах навантаження, застосовують нерегульовані конденсаторні установки (КУ) та СД. Пристрої для динамічної компенсації реактивної потужності в пускових режимах електроприводів практично не використовуються.

Тому науково-прикладне завдання, яке полягає в оптимізації процесу динамічної компенсації реактивної потужності під час пуску потужних асинхронних та синхронних електроприводів в ЕПС обмеженої потужності, є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень які проводились відповідно до наукового напрямку кафедри „Електротехнічні системи електроспоживання та енергетичний менеджмент” Вінницького національного технічного університету (ВНТУ). Дисертаційна робота виконувалася відповідно до договору про співдружність між ВНТУ та Луцьким національним технічним університетом „Розробка системи динамічної компенсації реактивної потужності в перехідних режимах електроприводів”, а також відповідно до „Програми наукових досліджень і розробок Міністерства освіти і науки України за пріоритетними напрямками розвитку науки та техніки” у рамках фінансування держбюджетної науково-дослідної роботи № 2905 „Розробка математичних моделей і засобів підвищення надійності та енергозбереження в транспортних системах”, № державної реєстрації 0107U002089. Автор брав участь у виконанні вищевказаних робіт як виконавець.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в покращенні напруги шляхом динамічної компенсації реактивної потужності під час пуску потужних асинхронних та синхронних електроприводів в електропостачальних системах обмеженої потужності.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати такі завдання:

1. Проаналізувати методи та засоби для компенсації реактивної потужності в пускових режимах асинхронних та синхронних електроприводів;

2. Розробити критерії та математичні моделі динамічної компенсації реактивної потужності під час пуску асинхронних двигунів;

3. Проаналізувати процеси динамічної компенсації реактивної потужності з використанням синхронних двигунів і статичних тиристорних компенсаторів;

4. Розробити систему керування для динамічної компенсації реактивної потужності в пускових режимах електроприводів.

Об'єкт дослідження. Процес компенсації реактивних навантажень вузлів електричних мереж в пускових режимах асинхронних та синхронних електроприводів.

Предмет дослідження. Методи та засоби керування компенсаційними установками під час пускових режимів асинхронних та синхронних електроприводів.

Методи дослідження. Під час роботи над дисертацією використовувались методи досліджень, які базувалися: на теорії електротехніки - при отриманні аналітичних виразів критеріїв якості компенсування реактивної потужності; на теорії електричних машин - при отриманні математичних моделей аналізу пускових режимів роботи електроприводів та керування компенсаційними установками; на методах комп'ютерного моделювання - при аналізі помилок компенсації реактивних навантажень з використанням отриманих математичних моделей асинхронних та синхронних електроприводів; на методах фізичного моделювання - при практичній реалізації вимірювального каналу системи керування компенсувальними установками.

Наукова новизна одержаних результатів, полягає в тому, що:

1. Вперше обґрунтовано доцільність використання спектральних провідностей в якості інформативних параметрів в пристроях динамічної компенсації реактивної потужності, що дозволяє підтримувати напругу під час пускових режимів роботи асинхронних та синхронних електроприводів.

2. Удосконалено математичні моделі аналізу пускових режимів асинхронних та синхронних електроприводів, які базуються на використанні нелінійних диференційних рівнянь в ортогональних координатах, записаних відносно струмів статора та ротора, що забезпечують отримання критеріїв для швидкодіючого компенсування реактивної потужності.

3. Дістали подальший розвиток системи керування пристроїв динамічної компенсації реактивної потужності, в основу яких покладено швидкодіючі вимірювальні канали з отриманням інформації про спектральні провідності навантаження, що забезпечує підвищення точності та швидкодії компенсування реактивних навантажень.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає у використанні нових інформативних параметрів при створенні систем для динамічного компенсування реактивної потужності в пускових режимах електроприводів.

На основі наукових положень створено:

алгоритми та програми для дослідження пускових режимів та динамічної компенсації реактивної потужності у вузлах електричної мережі, що містять асинхронні та синхронні електроприводи;

вимірювальний канал для системи автоматичного керування пристроїв динамічного компенсування реактивних навантажень електроприводів в пускових режимах.

Одержані наукові результати впроваджені в ВАТ „Вінницький олійно-жировий комбінат”. Результати роботи також використовуються у Луцькому національному технічному університеті на кафедрі “Електропостачання” для підготовки фахівців за спеціальністю 7.090603 “Електротехнічні системи електроспоживання”.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові положення та результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист, отримані здобувачем одноособово. Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих в співавторстві такий: [1] - виконано математичне моделювання компенсації реактивного навантаження в пускових режимах електроприводів; [2] - досліджено можливість застосування інтегральних енергетичних показників процесу компенсації реактивної потужності в пускових режимах електроприводів; [4] - показано, що під час пуску та в різко змінних режимах навантаження для керування пристроями компенсації реактивної потужності асинхронних двигунів можуть бути використані спектральні параметри, які доцільно характеризувати їх поточними значеннями; [5-7] - проаналізовано процеси пуску асинхронних двигунів з використанням спектральних опорів та провідностей; [8] - розроблено математичну модель асинхронного двигуна, яка базується на використанні нелінійних диференціальних рівнянь в ортогональних координатах; [9] - розроблено структурні схеми систем динамічної компенсації реактивної потужності з керуванням за збуренням; [10] - проаналізовано процеси динамічної компенсації реактивної потужності та знижень напруги під час пуску асинхронних двигунів; [11] - розроблено алгоритми перетворень швидкодіючих вимірювальних каналів для пристроїв динамічної компенсації реактивної потужності; [12] - запропоновано алгоритм визначення регулювальної характеристики статичного тиристорного компенсатора реактивної потужності в пускових режимах електроприводів; [13] - досліджено динамічні характеристики замкненої структури керування статичним тиристорним компенсатором реактивної потужності в пускових режимах електроприводів; [14] - проведено дослідження математичної моделі синхронного двигуна за синусоїдної напруги живлення; [15] - розроблено математичну модель вузла навантаження електричної мережі обмеженої потужності, що містить асинхронні та синхронні електроприводи; [16] - проведено дослідження математичної моделі синхронного двигуна за несинусоїдної напруги живлення; [17] - проаналізовано можливість використання індивідуальної компенсації реактивної потужності асинхронних двигунів.

Апробація результатів дисертації. Викладені в дисертації результати досліджень були апробовані на п'ятьох наукових конференціях: ІV-ій та V-ій Міжнародних науково-технічних конференціях „Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств” (Маріуполь, 2000, 2005рр.), І-ій та ІІ-ій Міжнародних науково-технічних конференціях „Підвищення рівня ефективності енергоспоживання в електротехнічних пристроях та системах” (м. Луцьк, 2006, 2008 рр.), 9-їй Міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і управління в складних системах КУСС-2008 (м. Вінниця, 2008 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 17 статтях в науково-технічних журналах і збірниках праць науково-технічних конференцій, з них 11 статей в наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів, додатків і списку використаних джерел, загальний обсяг дисертації 188 сторінок, з яких основний зміст викладений на 110 сторінках друкованого тексту, містить 67 рисунків, 2 таблиці. Додатки містять програми досліджень, акти впровадження результатів роботи. Список використаних джерел складається з 95 найменувань.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, зазначено зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Вказано мету та задачі дослідження. Сформульовано наукову новизну та положення, що виносяться на захист. Розглянуто практичне значення та впровадження одержаних результатів. Наведено дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи і публікації.

У першому розділі розглянуто схему електропостачання за наявності потужних асинхронних та синхронних електроприводів. У загальному випадку схема електропостачання складається з повітряної лінії електропередачі напругою 110 або 35 кВ, трансформатора 110(35)/10 кВ Т1, кабельної лінії електропередачі, трансформатора 10/6 кВ Т2, синхронних і асинхронних двигунів. Трансформаторні підстанції 10/6 кВ для живлення потужних АД та СД живляться від трансформаторних підстанцій 110(35)/10 кВ в основному КЛ довжиною до одного кілометра. Співмірність встановлених потужностей силових трансформаторів напругою 110(35)/10 кВ (630025000 кВА) і 10/6 кВ (6306300 кВА) та встановленої потужності споживачів (2503000 кВА) і наявність ліній електропередачі значної довжини, призводить до погіршення показників якості напруги на затискачах електроприймачів. Тому необхідно використовувати спеціальні пристрої автоматичного регулювання реактивної потужності, які забезпечують поліпшення цих показників у вузлі навантаження електричної мережі в пускових режимах електроприводів.

Для раціонального і ефективного використання встановленого електрообладнання і забезпечення високих техніко-економічних показників його роботи, доцільно використовувати статичні тиристорні компенсатори і синхронні електроприводи з пристроями АРЗ, які забезпечують динамічне регулювання реактивної потужності в пускових режимах електроприводів та дозволяють поліпшити якість напруги живлення в електричній мережі.

Задача підтримання оптимальної напруги у вузлі навантаження є складною задачею. Загального, єдиного підходу до вибору критеріїв оптимізації показників якості електроенергії для пускових режимів потужних електроприводів, які працюють в ЕПС обмеженої потужності, немає. Вибраний критерій обов'язково повинен враховувати живлячу електричну мережу і її параметри, наявність компенсувальних пристроїв і їх використання, особливості режимів роботи електрообладнання вузла мережі тощо.

В другому розділі для аналізу АД в пускових режимах запропоновано новий підхід, в основу якого покладено використання спектральних параметрів. Запропоновано критерій оцінювання якості пускових процесів асинхронних та синхронних електроприводів, який оснований на використанні реактивної спектральної провідності, що дає можливість оцінювання точності компенсації реактивної потужності під час пуску електроприводів.

Для аналізу енергетичних показників під час перехідних процесів використані поточні значення активної та реактивної потужностей, квадрата напруги та струму, визначення яких здійснюється шляхом інтегрування на ковзному інтервалі часу протягом половини періоду напруги (струму) живлення АД добутку миттєвих величин.

Поточні значення складових спектрального опору та провідностей визначаються як відношення поточних значень активної або реактивної потужностей до поточних значень квадрата напруги або струму:

; ; ; .

Спектральні опір та провідність за несинусоїдних напруг і струмів є аналогами комплексних опору та провідності за синусоїдних напруг і струмів і можуть бути представлені відповідно послідовною та паралельною схемами заміщення. Причому послідовна та паралельна схеми заміщення за несинусоїдних напруг і струмів є нееквівалентними.

Використані також спектральні провідності, визначення яких здійснюється з умови еквівалентності між складовими спектральних опору та провідності:

; ,

а також - спектральний коефіцієнт потужності

.

Проаналізовано процеси пуску асинхронних двигунів з використанням поточних значень складових спектрального опору та провідностей.

Отримано умови повної компенсації реактивної потужності під час пуску двигуна, які випливають з адекватності двохелементної паралельної схеми заміщення із змінними активною та реактивною спектральними провідностями процесам зміни струму та напруги двигуна. Найбільш ефективною для керування компенсаційними установками є реактивна провідність , застосування якої в якості інформативного параметра в системах керування пристроїв динамічної компенсації забезпечує практично повну компенсацію реактивної потужності під час пуску АД. Реактивна потужність, яка генерується пристроями динамічної компенсації у разі керування з дотриманням умови , становить . Керування за такою умовою забезпечує менші зниження напруги у вузлі навантажень порівняно з керуванням за реактивною потужністю або реактивним струмом, оскільки зниження напруги у вузлі мережі приводить до збільшення реактивної складової спектральної провідності і, відповідно, генерованої реактивної потужності, а в результаті - до покращення напруги.

Керування за умовою забезпечує найбільшу точність компенсації реактивної потужності за квадратичних статичних характеристик реактивної потужності вузлів навантажень. Якщо статичні характеристики вузлів навантажень відрізняються від квадратичних, то компенсація буде не повною.

У разі необхідності забезпечення більшого ступеня компенсації реактивної потужності за умов несинусоїдності в якості інформативного параметра можна використати провідність , яка зв'язана з провідністю виразом . Водночас, в умовах, коли несинусоїдність напруги живлення чи нелінійность АД впливають незначно, то обидва критерії забезпечують однаковий ступінь компенсації.

Розроблено математичну модель для аналізу пускових режимів асинхронних електроприводів, яка базується на використанні нелінійних диференційних рівнянь в ортогональних координатах, що дозволяє проаналізувати швидкодіюче компенсування реактивної потужності під час пуску асинхронних електроприводів.

;;

, - відповідно статична та диференційна індуктивності намагнічування, які визначаються за кривою намагнічування; , , - активні опори відповідно статора, ротора та кола намагнічування; - частоти обертання відповідно системи координат та ротора; - напруги статора відповідно по осях б, в; - напруги ротора відповідно по осях б, в; , - струми обмотки статора та ротора відповідно по осях б, в.

Для аналізу пускових режимів АД диференційні рівняння (6) доповнені рівнянням механічного руху

,

де М(t) - механічний момент; J - момент інерції; р₀ - кількість пар полюсів машини.

В математичній моделі АД, враховано насичення і втрати в сталі, а в якості змінних стану використані струми статора та ротора. Вона відрізняється від традиційних тим, що, її застосування дозволить більш точно визначати параметри керування під час перехідних процесів АД з короткозамкненим ротором, а також АД з фазним ротором. Спільне інтегрування рівнянь АД та мережі дає змогу детально досліджувати реальні процеси в системі.

Поточні значення активної та реактивної потужностей та квадрата напруги і струму для АД визначаються за формулами:

де - миттєві значення складових напруги статора в б, в-координатах; - миттєві значення складових струму статора в б, в-координатах; - миттєві значення складових струму статора в б, в-координатах, що зсунуті по фазі на кут р/2.

Проаналізовано залежності активної P(t) та реактивної Q(t) потужностей під час пуску АД з короткозамкнутим ротором (КР) і АД з фазним ротором (ФР). Комп'ютерне моделювання було виконано для краново-металургійних АД КР типу МТКН512-8 повторно-короткочасного режиму роботи (ПВ=25%) з номінальними напругою 0,38 кВ потужністю 45 кВт та АД ФР типу АКБ-13-62-8У2 номінальною напругою 6 кВ потужністю 500 кВт.

Пуск АД КР характеризується значним споживанням реактивної потужності, яке для багатьох типів двигунів перевищує споживання активної потужності. З порівняння залежностей реактивних потужностей до і після компенсації реактивної потужності за критерієм випливає, що застосування цього критерію забезпечує практично повну компенсацію реактивної потужності під час пуску АД. При цьому значення .

Залежності струму статора під час пуску АД КР наглядно показують, що використання динамічної компенсації реактивної потужності приводить до зменшення струму статора (залежність 2) порівняно зі струмом до компенсації (залежність 1) практично вдвічі під час пуску.

Зі збільшенням активного опору в колі ротора пуск АД ФР полегшується, при цьому істотно зменшується споживана реактивна потужність, однак тривалість пуску збільшується.

Застосування динамічної компенсації реактивної потужності з використанням критерію забезпечує істотне зменшення пускових струмів. На основі цього можна стверджувати, що динамічна компенсація реактивної потужності істотно покращує пускові режими АД ФР.

На основі поточних значень інформативної провідності під час пуску АД дозволяє встановити необхідний характер регулювання реактивної потужності в пусковому режимі.

Проаналізовано вплив динамічної компенсації реактивної потужності під час пуску АД на зменшення втрат напруги і зменшення тривалості пуску. Для врахування знижень напруги в математичних моделях АД використано ітераційний алгоритм визначення миттєвих напруг і струмів статора, згідно з яким нові значення б, в складових миттєвої напруги на статорі , визначають за попередніми (початковими) значеннями б, в складових миттєвих напруг на статорі , та струмів , :

;

;

; ,

де - амплітудне значення напруги до пуску АД; - активний та реактивний опори лінії електропередавання; - ортогональні складові струму в лінії.

Показано, що застосування критерію забезпечує найменші втрати напруги. Так, у разі живлення АД КР від лінії та трансформатора, сумарний комплексний опір яких становить мОм, значення втрат фазної напруги під час пуску приблизно дорівнює 46 В (по амплітудному значенню), а у разі компенсації реактивної потужності за критерієм зменшуються до 10 В.

В третьому розділі для аналізу пускових режимів були розроблені математичні моделі СД в фазних координатах. Створено програми розрахунку перехідних процесів при пуску СД типу СД3Б-13-52-8 потужністю 630 кВт, 740 кВА, номінальною напругою 6 кВ, струмом збудження І_f =163 A. При асинхронному пуску СД при розімкненій обмотці збудження процес входження двигуна в синхронізм супроводжується значними коливаннями швидкості та електромагнітного моменту. Дослідження виконувались при моменті навантаження М_н = 0 і розрядному опорі R_p = 3,024 Ом до вмикання збудження та R_p = 0,252 Ом після вмикання збудження. Під час асинхронного пуску СД обмотка збудження замикається на розрядний опір. При збільшенні механічного моменту на валу СД виникає биття швидкості ротора і збільшується час його входження в синхронізм; при цьому протікають досить великі струми. При деякому критичному значенні механічного моменту СД втрачає синхронізм. Відбувається коливання частоти біля швидкості приблизно 260 с^-1 і протікають струми, які набагато перевищують струми нормального режиму.

Проведені дослідження показують, що збільшення опору лінії електропередачі призводить до значного відхилення напруги, а отже, і до значного зменшення пускових моментів. Максимальний допустимий опір лінії, при якому можливий запуск СД без навантаження, становить Z_{л max} = 4,95 + j 0,26 Ом (l = 2,55 км), час пуску при цьому збільшується з 0,8 с до 1,18 с. Але у цьому випадку втрати напруги становлять 24%, що не допускається для усіх споживачів електроенергії. Крім того, збільшення опору лінії призводить до зменшення критичного моменту та перевантажувальної здатності СД. При подальшому збільшенні довжини лінії двигун взагалі не втягується в синхронізм.

Досліджено вплив перших дев'яти гармонік напруги на пускові характеристики синхронного двигуна при різних моментах навантаження, які проводились для коефіцієнтів несиметрії напруг зворотної та нульової послідовностей до 2 % і коефіцієнта -тої гармонічної складової напруги К_U до 5 %. В усіх режимах роботи СД в мережі струм ротора суттєво збільшується від номінального до 370 А при будь-якому навантаженні і зниженій якості електроенергії.

Дослідження пуску СД при різних моментах навантаження на валу та пониженій напрузі на фазі А до 0,9U_ном показують, що коливання кутової швидкості двигуна в усталеному режимі становлять 313,4314,9 рад/с при моментах до М = 2М_ном, а при моменті М = 2 М_ном СД не втягується в синхронізм і кутова швидкість зависає на 288,0298,4 рад/с. Тривалість розгону двигуна до усталеної швидкості практично не змінюється.

Показано, що форсування струму збудження СД може різко змінювати реактивну потужність. Але при цьому виникають коливання активної потужності, що вимагає використання системи автоматичного демпфірування коливань. Динамічна компенсація реактивної потужності забезпечує значно підтримання напруги у вузлі навантаження у разі форсування струму збудження СД.

В четвертому розділі удосконалено системи динамічної компенсації реактивної потужності з керуванням за збуренням на основі швидкодіючих вимірювальних каналів, що підвищує точність та швидкодію компенсування реактивних навантажень. Проаналізовано регулювальні характеристики та спектри струму СТК для мереж з ізольованою нейтраллю зі схемою з'єднання тиристорно-регульованих реакторів (ТРР) в „трикутник”. Розроблено пристрій динамічної компенсації реактивної потужності, в основу якого покладено СТК з керуванням за збуренням, де позначено трифазне джерело (ТД), електроприймач (ЕП), блок тиристорно-регульованих реакторів, що складається з реакторів L₁, L₂, L₃ та увімкнених зустрічно-паралельно тиристорів VS₁₁, VS₁₂, VS₂₁, VS₂₂, VS₃₁, VS₃₂, блок фільтрів, що складається з конденсаторів С₁, С₂, С₃ та фільтрових реакторів L₄, L₅, L₆. Керування СТК здійснюється за допомогою системи імпульсно-фазового керування (СІФК), інформація про навантаження ЕП на входи якого поступає з виходів вимірювального каналу (ВК), який, в свою чергу, приєднаний до лінії живлення ЕП через вимірювальні трансформатори струму (ТС) та напруги (ТН).

Закон керування СТК для системи динамічної компенсації реактивної потужності за збуренням сформульовано у такому вигляді:

де - реактивна потужність, що генерується СТК; - кут увімкнення тиристорів.

Розроблено вимірювальні канали (ВК) для систем динамічного компенсування реактивної потужності асинхронних електроприводів в пускових режимах, швидкодія яких не перевищує половини періоду напруги живлення. ВК, який забезпечує отримання інформації про спектральну провідність , містить: масштабний перетворювач струмів фаз в ортогональну систему напруг (ПС), масштабний перетворювач напруг фаз в ортогональну систему напруг (ПН), чотири фазочутливих інтегрувальних перетворювачів (ФП1-ФП4), однокристальний мікроконтролер (МК).

При побудові ВК застосовано підхід, який оснований на використанні ортогональних миттєвих потужностей з отриманням інформації про активну та реактивну провідності навантаження шляхом інтегрування суми або різниці ортогональних миттєвих потужностей, напруги або струму. Вимірювальний канал містить два додаткових фазочутливих інтегрувальних перетворювачі, однак алгоритм, який покладено в основу його роботи, забезпечує більш високу точність за наявності динамічних похибок вимірювань.

Мікроконтролер МК визначає реактивну спектральну провідність або , а також формує сигнали керування для системи імпульсно-фазового керування (СІФК) СТК, який забезпечує безпосереднє керування блоком тиристорно-регульованих реакторів (БТРР) СТК. Вимірювальний канал характеризується практичною незалежністю результатів від несиметрії напруг і струмів та вмісту вищих гармонік, що є однією з його переваг.

Для запропонованих вимірювальних каналів реальною є швидкодія T/2. Швидкодію алгоритму обробки інформації визначено за перехідною характеристикою вимірювальних каналів. Перехідний процес закінчується за пів періоду напруги живлення, після чого встановлюється усталений режим, в якому результати вимірювань не залежать від часу.

Експериментальні дослідження пускових режимів проведені в Івано-Франківській експедиції Прикарпатського УБР ВАТ „УКРНАФТА” м. Івано-Франківськ та на ВАТ „Вінницький олійно-жировий комбінат”.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено наукове-прикладне завдання, яке полягає в оптимізації процесу динамічної компенсації реактивної потужності під час пуску потужних асинхронних та синхронних електроприводів в ЕПС обмеженої потужності.

Основні теоретичні та експериментальні дослідження, які виконані в дисертаційній роботі, можуть бути узагальнені такими висновками:

1. На основі аналізу пускових процесів асинхронних електроприводів обґрунтовано доцільність використання спектральних провідностей в якості інформативних параметрів для систем динамічної компенсації реактивної потужності. На відміну від відомих інформативних параметрів, спектральні провідності забезпечують підвищення точності компенсації реактивної потужності та покращення напруги.

2. Розроблено математичну модель асинхронного двигуна, в якій враховано насичення і втрати в сталі, а в якості змінних стану використані струми статора та ротора. Нові математичні моделі електричних машин відрізняються від традиційних тим, що їх застосування дозволить більш точно визначати параметри керування під час перехідних процесів АД з короткозамкненим ротором, а також АД з фазним ротором. Спільне інтегрування рівнянь АД та мережі дає змогу досліджувати реальні процеси в системі.

3. Розроблено математичну модель синхронного двигуна в фазних координатах. Проаналізовано пускові режими СД в нормальних, несиметричних та несинусоїдних режимах напруги живлення. Показано, що форсування збудження СД забезпечує можливість динамічної компенсації реактивної потужності. Однак при цьому виникають коливання активної потужності, що вимагає їх демпфірування.

4. Удосконалено системи динамічної компенсації реактивної потужності з керуванням за збуренням, в основу яких покладено швидкодіючі вимірювальні канали з отриманням інформації про активну та реактивну спектральні провідності навантаження, що забезпечує підвищення точності та швидкодії компенсування реактивних навантажень і зменшення провалів напруг (час запізнення під час регулювання не перевищує половини періоду напруги живлення).

5. Створено програми для дослідження пускових режимів та динамічної компенсації реактивної потужності у вузлах електричної мережі, що містять асинхронні та синхронні електроприводи. Одержані наукові результати впроваджені в ВАТ „Вінницький олійно-жировий комбінат”. Результати роботи також використовуються у Луцькому національному технічному університеті на кафедрі “Електропостачання” для підготовки фахівців за спеціальністю 7.090603 “Електротехнічні системи електроспоживання”.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Гадай А.В. Дослідження математичної моделі параметричного статичного компенсатора реактивної потужності / М.В. Пєтухов, А.В. Гадай, Ю.В. Грицюк // Вісник НУ „Львівська політехніка” Електроенергетичні та електромеханічні системи. 2001. - № 421. - С. 154-159.

2. Гадай А.В. Інтегральні показники енергетичного процесу тиристорних компенсаторів реактивної потужності при їх живлені від мережі обмеженої потужності / М.В. Пєтухов, Ю.В. Грицюк, А.В. Гадай, // Вісник Приазовського державного технічного університету. - Маріуполь: ПДТУ, 2005. - С. 100-104.

3. Гадай А.В. Дослідження математичної моделі синхронного двигуна при несинусоїдній напрузі живлення / А.В. Гадай // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2007. - № 2. - C. 56-60.

4. Гадай А.В. Компенсація реактивної потужності асинхронних двигунів в різкозмінних режимах навантаження / М.Й. Бурбело, А.В. Гадай // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2008. - № 1. - C. 65-68.

5. Визначення електричних параметрів асинхронних двигунів в перехідних режимах із застосуванням методу квазізрівноваження / М.Й. Бурбело, А.В. Гадай, В.В. Гаврилюк, В.А. Барчук // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2008. - № 2. - C. 41-43.

6. Гадай А.В. Підвищення ефективності електроспоживання асинхронних двигунів в перехідних режимах / М.Й. Бурбело, А.В. Гадай // Енергетика та електрифікація. - 2008. - № 3. - C. 57-58.

7. Контроль електричних параметрів асинхронних двигунів в перехідних режимах / М.Й. Бурбело, В.В. Гаврилюк, О.М. Кравець, А.В. Гадай // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2008. - № 6. - C. 66-68.

8. Динамічна компенсація реактивної потужності в перехідних режимах електроприводів [Електронний ресурс] / М.Й. Бурбело, А.В. Гадай, О.М. Кравець, М.В. Никитенко // Наукові праці ВНТУ. - 2008. - № 3. - 6 с.: Реж. дост. до журн. - http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/VNTU/2008-3.fils/uk/ 08mibpio_ua.pdf.

9. Гадай А.В. Математичні моделі для аналізу перехідних режимів асинхронних двигунів [Електронний ресурс] / М.Й. Бурбело, А.В. Гадай, І.В. Бальзан // Наукові праці ВНТУ. - 2008. - № 4. - 4 с.: Реж. дост. до журн. - http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/VNTU/2008-4.fils/uk/ 08 miboam_ua.pdf.

10. Гадай А.В. Аналіз асинхронних двигунів в перехідних режимах з використанням спектральних параметрів / М.Й. Бурбело, А.В. Гадай // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - 2008. - Вип. 4(51), ч. 1. - С. 150-154.

11. Вимірювальні канали для установок динамічної компенсації реактивної потужності / М.Й. Бурбело, О.М. Кравець, М.В. Никитенко, А.В. Гадай // Енергетика та електрифікація. - 2008. - № 11. - C. 42-45.

12. Гадай А.В. Оптимізація режимів роботи статичних компенсаторів реактивної потужності / М.В. Пєтухов, А.В. Гадай, Ю.В. Грицюк // Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств: IV Міжнародна наукова конференція. Маріуполь, 2000. - С. 293-297.

13. Гадай А.В. Статичні компенсатори реактивної потужності в замкнених системах керування / М.В. Пєтухов, Ю.В. Грицюк, А.В. Гадай // Наукові нотатки ЛДТУ. - Луцьк: Луцький державний технічний університет, міжвузівський збірник. - 2002. - Вип. 11. - Ч. 2. - С. 48-52.

14. Гадай А.В. Дослідження математичної моделі синхронного двигуна / М.В. Пєтухов, А.В. Гадай, Ю.В. Грицюк // Наукові нотатки ЛДТУ. - Луцьк: Луцький державний технічний університет, міжвузівський збірник. - 2003- Вип. 13. - С. 245-248.

15. Гадай А.В. Математична модель вузла навантаження / М.В. Пєтухов, А.В. Гадай, Ю.В. Грицюк // Збірник праць V міжнародної науково-технічної конференції „Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств”. - Маріуполь: Приазовський державний технічний університет. - 2005. - С. 127-130.

16. Гадай А.В. Дослідження математичної моделі синхронного двигуна при несинусоїдній напрузі живлення / М.В. Пєтухов, А.В. Гадай. // Матеріали І міжнародної науково-технічної конференції „Підвищення рівня ефективності енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах”. - Луцьк: РВВ ЛДТУ, 2006. - С. 75-78.

17. Гадай А.В. Зменшення знижень напруги під час пуску асинхронних двигунів з використанням індивідуальної компенсації реактивної / М.Й. Бурбело, А.В. Гадай // Матеріали ІІ-ї міжнародної науково-технічної конференції „Підвищення рівня ефективності енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах”. - Луцьк: Луцький національний технічний університет. - 2008. - C. 37-40.

Размещено на Allbest.ru

...