Исследование условий самозапуска высоковольтных электроприводов технологических установок при возмущениях в электрических сетях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ САМОЗАПУСКА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРИ ВОЗМУЩЕНИЯХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

© Г.Г. Гоппе1, А.А. Луконин2, В.Е. Павлов3

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

На основе исследований с использованием вычислительных экспериментов математических моделей таких технологических схем, как трансформаторы - высоковольтные электроприводы - турбомеханизмы - трубопроводные магистрали промышленных установок, рассмотрены условия самозапуска высоковольтных электроприводов при возмущениях в электрических сетях. Для высоковольтных электроприводов особенность торможения определяется тем, что остаются включенными выключатели, объединяющие все электроприводы через общую систему шин. Таким образом, «выбег» электроприводов во время бестоковой паузы получается групповым и определяется маховыми массами и темпом снижения ЭДС. самого мощного электропривода отключенной от электропитания группы. Результаты вычислительных экспериментов на математических моделях технологического комплекса используются для создания реальных схем самозапуска высоковольтных электроприводов. Ключевые слова: синхронный двигатель; самозапуск высоковольтных электроприводов; турбомеханизм; трубопроводная магистраль; напор; производительность.

STUDYING SELF-STARTING CONDITIONS OF PROCESS INSTALLATION HIGH VOLTAGE ELECTRIC DRIVES UNDER DISTURBANCES IN ELECTRICAL NETWORKS G.G. Goppe, A.A. Lukonin, V.E. Pavlov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The paper examines self-starting conditions of high voltage electric drives under disturbances in electrical networks on the basis of studies using computational experiments of mathematical models of such technological schemes as transformers - high-voltage electric drives - turbo mechanisms - industrial plant pipelines. The feature of high-voltage electric drive deceleration is determined by the fact that the switches integrating all actuators through the common bus system stay on. Thus, electric drive runout during dead time is a group-type and is determined by rotating masses and the increment of EMF decrease of the most powerful electric drive of the group disconnected from power. The results of computational experiments on mathematical models of the technological complex can be used for the development of real schemes of high voltage electric drive self-starting.

Keywords: synchronous motor; high-voltage electric drive self-starting; turbo mechanism; pipelines; head; performance.

Возмущения в электрических сетях и их последствия становятся особенно острой проблемой для предприятий с непрерывным циклом производства.

Чаще всего возмущения в сетях проявляются в виде кратковременного снижения напряжения и бестоковых пауз, вызванных короткими замыканиями. Действия возмущений различным образом влияют на электроприводы, в частности, для низковольтных двигателей это проявляется в том, что отключаются их коммутационные аппараты и каждый электродвигатель и приводимый им механизм тормозятся (индивидуальный выбег). Диапазоны снижения скорости двигателя за время действия возмущения отличаются и определяются характеристиками комплекса - элек-

тропривод - механизм - объект управления. В нашем случае такой комплекс представлен в виде электропривода - турбомеханизма - трубопроводной магистрали.

Для высоковольтных электроприводов ситуация иная - во время действия возмущения они остаются подключенными к шинам питающей подстанции, и их выключатели могут отключаться с выдержкой времени защитой минимального напряжения. Поскольку выдержка времени на отключение может достигать нескольких секунд, то во время действия возмущения для высоковольтных электроприводов наблюдается групповой выбег. Его характер определяется величиной остаточной электродвижущей силы (ЭДС) двига-

1 Гоппе Гарри Генрихович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: 389095, e-mail: elprivod@istu.edu

Goppe Garry, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electrical Drive and Electric Transport, tel.: 389095, e-mail: elprivod@istu.edu

2Луконин Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: 405128, e-mail: elprivod@istu.edu

Lukonin Aleksandr, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Drive and Electric Transport, tel.: 405128, e-mail: elprivod@istu.edu

3Павлов Владимир Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: 89149306162, e-mail: pvew52@mail.ru

Pavlov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Drive and Electric Transport, tel.: 89149306162, e-mail: pvew52@mail.ru

теля наибольшей мощности. Двигатель наибольшей мощности будет тормозиться более интенсивно по сравнению с его возможным индивидуальным выбегом, а электроприводы меньшей мощности, наоборот, будут тормозиться с меньшей интенсивностью по сравнению с их возможным индивидуальным выбегом, поскольку они поддерживаются запасенной энергией электродвигателя наибольшей мощности, выступающего в роли генератора.

При восстановлении напряжения после действия возмущения для уменьшения ущерба технологическому процессу наиболее эффективным решением является автоматический запуск (самозапуск) электроприводов наиболее ответственных механизмов. Самозапуск может быть осуществлен от того же источника электропитания или от резервного. Основное условие самозапуска состоит в том, чтобы он осуществлялся без вмешательства производственного персонала, поскольку только в этом случае можно сократить время самозапуска и минимизировать возможный ущерб для технологического процесса.

Технические решения для самозапуска низковольтных и высоковольтных электроприводов в силу указанных выше причин также отличаются друг от друга. В частности, для низковольтных электроприводов с использованием реле повторного пуска (РПП), подключающих в определенной последовательности электроприводы соответствующих механизмов к питающей сети после окончания возмущения, порядок подключения и выдержка времени определяются «весом» данного механизма в технологическом процессе и поддержкой пускового тока в трансформаторе на допустимом уровне.

Высоковольтные электроприводы во время возмущения в сети могут все время оставаться подключенными к источникам электропитания и при восстановлении нормального режима в сети одновременно запускаться. При этом важным условием такого самозапуска является то, чтобы суммарный пусковой ток всех электроприводов не достиг такого значения, при котором срабатывает максимальная токовая защита. Если последнее будет иметь место, то следует принять возможные меры для снижения суммарного пускового тока. Для этого могут использоваться реакторы или отключение наиболее «проблемных» электроприводов защитой минимального напряжения с последующим их самозапуском через установленное время после свмозапуска всех остальных электроприводов.

При времени действия возмущения в сети, превышающим время срабатывания автоматического ввода резерва (АВР), также возможны различные варианты:

- защитой минимального напряжения отключить все электроприводы поврежденной сети; затем поочередное с выдержкой времени подключение к резервному источнику;

- отключение только части электроприводов и самозапуск от резервного источника остальных электроприводов с последующим запуском через некоторые промежутки времени электроприводов отключенной части.

Цель работы состоит в том, чтобы получить динамические математические модели устройств технологической схемы: трансформатор - высоковольтный электропривод с применением синхронных и асинхронных двигателей - турбомеханизм - трубопроводная магистраль для исследований условий самозапуска с помощью вычислительных экспериментов на математических моделях технологического комплекса при воздействии на него соответствующих возмущений в электрической сети. Результаты проведенных экспериментов можно использовать при создании схем самозапуска реальных установок. Для этого необходимо рассмотреть сначала модели отдельных устройств, а потом и для комплекса в целом.

Использованный в настоящей работе подход для исследований условий самозапуска отличается тем, что здесь рассматриваются математические модели устройств технологической схемы: трансформатор -высоковольтный электропривод с применением синхронных и асинхронных двигателей - турбомеханизм - трубопроводная магистраль. Адекватность реальным процессам для разработанных математических моделей проверена многолетним использованием их не только для условий самозапуска, но и для систем автоматического управления технологическими процессами.

Процесс анализа поведения переменных, как энергетических, так и технологических, превращается в стройную систему, позволяющую с высокой точностью рассчитать любую из исследуемых величин и во время действия возмущения, и в процессе восстановления переменных, и в установившемся режиме.

Следует отметить, что точность соответствия результатов, полученных при вычислительных экспериментах, реальным процессам в объектах определяется не только качеством и содержанием математических моделей, но и не в меньшей степени - чистотой исходных данных. Поэтому те данные, которые представлены технологами и энергетиками в соответствующих анкетах, тщательно проверялись и согласовывались дополнительно.

На основе этих показателей рассчитывались параметры математических моделей.

1. Математическая модель трансформатора. Эта модель взята из библиотеки Simulink программной среды Matlab. В ее основе лежит «Т»-образная схема замещения трансформатора мощностью 16 Мва с напряжением на входе 35 кВ и выходным линейным -6 кВ. Выходной сигнал трансформатора - трехфазная симметричная система напряжений, сдвинутых на 120 угловых градусов относительно друг друга.

2. Математическая модель синхронного двигателя. Если уравнения синхронного двигателя представить в ортогональной системе координат (сС-д), вращающейся в пространстве в общем случае с угловой скоростью сок, то для СД с короткозамкнутой

демпферной обмоткой можно получить следующую систему уравнений с учетом выражений для моментов:

dW

Ud = RSid +-- -a№ q.

d Sd dt q

d Wa

ua = RSia +-1 + ®W d,

q Sq dt d

■ ■ dW\d

TT _ D j Jd

fd fd fd dt d W'

Ukd Rkdikd +

kd

Ukq=Rkqik~ +"

dt d W

(1)

kq

dt

M = - P (W d i9-W q>d),

Jd^= M - M , dt c

где

W = LX + (f +1

-dd

W =LJ „ + ^ (h + 1kd

kd ) ; Wq = Lqiq + L,

'); wkq=Lk

i ;

mq mq 1

,, i, + Li ;

kq kq mq q 1

fd ^г^га

= + Lmd (га + ifd ) ; Lmd - А;

Ьтд=Ьд ~ ^, id, '1д, ~ ПрОеКЦИИ НЭПрЯ-

жений, токов и потокосцеплений статора на оси б и д; Rs - активное сопротивление обмотки статора;

U «, i

б I ' fd,

%б - проекция на ось б напряжения, тока и потокос-цепления обмотки возбуждения, приведенных к обмотке статора; Rб - активное сопротивление обмотки возбуждения, приведенное к обмотке статора; икб, икд, iы, iд %ы %кд - проекции на оси б и д напряжений, токов и потокосцеплений демпферной обмотки, приведенных к обмотке статора; Rкб, Rкд - активные сопротивления демпферной обмотки по продольной и по поперечной осям, приведенные к обмотке статора; Ц, -д - индуктивности по продольной и по поперечной осям; 1тб, т - взаимоиндуктивности по продольной и по поперечной осям; — - индуктивность рассеяния обмотки статора; - б - _ приведенная индуктивность обмотки возбуждения; - кб, - кд - приведенные индуктивности демпферной обмотки по продольной и по поперечной осям; М - электромагнитный момент СД; Мс - момент сил сопротивления движению на валу СД; р - число пар полюсов СД; ю - угловая скорость ротора СД; и - момент инерции электропривода.

После преобразования по Лапласу, приняв и кб = 0 и икд,= 0, можно определить потокосцепления, токи и скорость СД:

^ = (( - Яа + ю д));

W =(( - Ri -dW )

q V q s q в у

S

W fd = (U fd R fd1 fd )

fd

fd fd ;

S

W = R i —

T kd Rkdlkd g ;

W = R i

1 kq Rkqlkq

S

id =

W L

1 d Lmd /•

L L

fd + ikd;

(2)

W„ L„

iq =

L L

q q

ifd =

W' W fd Lmd

Lfd Lfd

W' 1 kd Lmd

Lkd Lkd

(id + ikd ) ;

(i

d + ifd);

W

ikq =

kq

L.

mq

L

kq

L

kq

ю = (М - Мс)-.

На основании этих соотношений можно получить математическую модель СД, приведенную на рис. 1. Модель содержит блок задания напряжений ЗН (рис. 2) и пять расчетных элементов И1-И5.

3. Математическая модель асинхронного двигателя. Данная модель принята в виде «полной» математической модели в форме уравнений Парка-Горева [1].

4. Турбомеханизм и трубопроводная магистраль. Отличительной чертой используемой методики исследования условий самозапуска электроприводов тур-бомеханизмов является учет условий работы самого механизма. Достигается это благодаря применению математических моделей турбомеханизма и трубопроводной магистрали в общей математической модели всей динамической системы. Поэтому удается с высокой точностью проследить характер поведения каждой исследуемой переменной при различных возмущениях.

Интерес представляет характер момента сопротивления на валу двигателя, он влияет на темп торможения электропривода в процессе возмущения, а скорость вращения двигателя уже определяет величину производительности, напора, значения пусковых токов и показатели разгона при восстановлении напряжения. Момент сопротивления на валу двигателя выполняет роль внутренней отрицательной обратной связи в системе - он изменяет скорость двигателя, а изменение частоты вращения ведет к изменению величины самого момента.

Турбомеханизм и трубопроводную магистраль можно рассматривать как некоторое нагрузочное устройство, выходной величиной которого является момент сопротивления. И поскольку момент сопротивления зависит от частоты вращения, то он будет

1

1

Рис. 1. Модель СД

Рис. 2. Блок задания напряжения ЗН

изменяться как во время действия возмущения, так и после восстановления нормального напряжения.

Желая подчеркнуть важность математической модели для рассмотренного нагрузочного устройства, приведем его уравнения:

2

Н = Н0 - к<2 ; (3)

dQ/d t = A1(H - Hc) - A2Q2,

(5)

где А1 = Syc g/Ly;

А -

1 + л-

L_

Д ус

( у )

2L ■ S„

2

и - и 0

H 0 - H 0е • — , 0H

(4)

где (3) и (4) - математические модели турбомеханиз-ма [1].

Здесь Ное - напор при нулевой производительности на естественной характеристике (при номинальной частоте вращения); Но - напор при нулевой производительности, но при скорости вращения, отличной от номинальной; шн - номинальная частота вращения; ш - частота вращения турбомеханизма; 0 - производительность турбомеханизма; к - постоянный коэффициент.

Динамическая математическая модель для потока среды в трубопроводной магистрали имеет вид:_

Здесь Н - напор на входе в трубопровод; Нс - статический (встречный) напор; Бус - внутренняя площадь поперечного сечения трубопровода; I - длина трубопровода; д - ускорение силы тяжести; Y - удельный вес перекачиваемой среды; Л - удельный коэффициент сопротивления трубопровода; Дус - внутренний диаметр трубопровода;

суммарный коэффициент сопротивления трубопровода, вызванный поворотами, местными сужениями; у ^ - коэффициент сопр

бопроводной арматуры. Из (3) следует, что

О2 = (Но - Н)/ к.

тротивления тру-

Подставляя полученное уравнение в (5) и преобразуя его по Лапласу, имеем:

О = [Н (А1 + А2/к) -А2Н0/к - А1НС]—, (6)

3

где Б - оператор Лапласа.

На основе переменных из приведенных соотношений формируется математическая модель для момента сопротивления. В настоящей работе мы представили его в виде двух составляющих:

- Первая формируется в зависимости от производительности и при закрытой задвижке равна нулю;

- Вторая составляющая названа моментом трения. Момент трения существует и при работе турбо-механизма на закрытую арматуру, т.е. при нулевой производительности.

Для первой составляющей справедливы следующие соотношения:

Рс = ОН/Пнас; (7)

Mc = pM

(8)

ПНАС = 0,01 + к1(0/0н - к2(0/0Н)2, (9)

где Рс - мощность, потребляемая турбомеханизмом; ш - частота вращения электропривода; цнас - КПД турбомеханизма; к1; к2 - коэффициенты, определяемые из графиков КПД турбомеханизма.

Для момента трения используется соотношение вида

Мтр = Мтр0 + кз(ш/Шн), (10)

где Мтр0 - момент трогания механизма; к3 = Мтрн -Мтр0, Мтрн - величина момента трения при закрытой задвижке и номинальной скорости вращения турбоме-ханизма.

Общий момент сопротивления нагрузочного устройства представляется как

ZM, = Mc + M.

тр-

(11)

Структурная схема для математической модели турбомеханизма, трубопроводной магистрали и суммарного момента сопротивления в обозначениях, принятых для программной среды МаАаЬ, представлена в [1].

Как известно, возмущения в питающей электросети в виде бестоковых пауз являются самыми «тяжелыми» для потребителей.

Для высоковольтных электроприводов особенность торможения определяется тем, что остаются включенными выключатели, объединяющие все электроприводы через общую систему шин. Таким образом, «выбег» электроприводов во время бестоковой паузы получается групповым и определяется маховыми массами и темпом снижения ЭДС самого мощного электропривода отключенной от электропитания группы.

Если в такой группе оказываются синхронные электродвигатели, то выбег остальных чаще всего определяется характеристиками наиболее мощного из

них. Для последних характерно также то, что при нормальном режиме работы их ЭДС близка к величине напряжения сети и при выбеге ее величина снижается медленнее, чем, например, у асинхронных электродвигателей. В момент восстановления напряжения в питающей сети остаточная ЭДС у таких двигателей может оказаться весьма значительной, и «бросок» суммарного тока определяется смещением фаз напряжения сети и ЭДС двигателя. Если разница фазовых углов равна 180°, то «бросок» тоже будет самым значительным, при совпадении фазовых углов -минимальным.

Исходя из вышеизложенного, следует ожидать, что самыми значительными «броски» тока при восстановлении напряжения в сети могут ожидаться при бестоковых паузах малой продолжительности. За это время величина ЭДС остается еще большой, а скорость двигателя упала настолько, что фазовые углы напряжения в сети и ЭДС находятся в противофазе или близки к 180°.

Такие эффекты как раз наблюдались при исследовании математических моделей технологических комплексов.

Блочная структурная схема одного из комплексов для исследования поведения энергетических и технологических переменных при возмущениях в питающей сети в виде бестоковых пауз различной длительности представлена на рис. 3.

Она включает математическую модель трансформатора 35/6 кВ, 13 электроприводов с подключенными к ним турбомеханизмами и трубопроводными магистралями и 7 низковольтных (6/0,4) кВ трансформаторов. Длительность бестоковых пауз варьировалась, как и ранее, в пределах от 0,12 до 2,5 сек.

Графики изменения во времени соответствующих переменных при действии возмущений и при восстановлении нормального режима в питающей сети приведены на последующих рис. 4-6.

В частности, на рис. 4, б показаны амплитудные значения фазового напряжения на шинах трансформатора.

Особенности этих графиков состоят в следующем:

- При мгновенном исчезновении питающего напряжения на выходной обмотке трансформатора напряжение на шинах трансформатора не обрывается так же резко, а спадает в течение некоторого времени. Это соответствует закону снижения ЭДС при выбеге наиболее мощного двигателя - в нашем случае синхронного двигателя СТД-3150.

- При бестоковой паузе 0,12 сек. в момент появления напряжения в сети на шинах трансформатора наблюдается отрицательный выброс напряжения, составляющий 70% от амплитуды сетевого напряжения.

- При бестоковой паузе 0,2 сек. в момент восстановления напряжения в сети появляется положительный выброс напряжения на шинах, составляющий 50% от амплитуды фазного напряжения.

Более тщательное исследование (рис. 5, б и 6, б) показали, что в первом случае ЭДС синхронного двигателя и напряжение сети оказались в противофазе, а

во втором - совпали по фазе.

Этим двум позициям на графиках напряжения соответствуют и особенности суммарного токов на графиках токов рис. 5, а и 6, а.

В первом случае (противофаза) бросок суммарно-

го тока получился самым большим и составил около 16 кА, что примерно в 10 раз превышает номинальный ток трансформатора (при бестоковой паузе 0,2 сек. суммарный ток оказался самым малым - около 7кА).

Рис. 3. Модель комплекса

а) б)

Рис. 4. Токи самозапуска (а) и напряжения (б) на шинах трансформатора при исчезновении напряжения на йТ от 0,1 до 3,5 с

а) б)

Рис. 5. Токи самозапуска (а) и напряжения (б) на шинах трансформатора при исчезновении напряжения на йТ = 0,12 сек

а) б)

Рис. 6. Токи самозапуска (а) и напряжения (б) на шинах трансформатора при исчезновении напряжения на йТ = 0,2 сек

Здесь также видно, что ток синхронного двигателя СТД-3150 вносит самую большую долю в суммарный пусковой ток всех потребителей. И такое положение наблюдается почти для всех бестоковых пауз. В среднем можно считать, что эта доля составляет 40-50% от суммарного пускового тока. Для сравнения можно взять асинхронный двигатель 4А3М3150 аналогичной мощности - привод компрессора В 1/1. Его средний ток составляет в суммарном токе только около 12%, или в четыре раза меньше, чем у СД.

Необходимо подчеркнуть, что при неблагоприятном фазовом сдвиге появления восстановленного напряжения помимо увеличения тока самого СД, увеличивается ток остальных электродвигателей, для которых СД выступает в качестве последовательного соединенного с сетью генератора, правда на весьма короткое время - (0,5-1) период питающего напряжения.

Как и для случая кратковременных снижений напряжения, помимо напряжений, токов и скорости вращения, здесь также рассчитывалось поведение во времени технологических переменных - производительности турбомеханизмов и их напора.

Отличие поведения этих переменных от рассмотренных ранее определяется более интенсивным торможением приводов, и как следствие - более резкое снижение производительности и напора.

При длительных бестоковых паузах, например, для привода СТД-3150 компрессора особенность процесса торможения состоит в том, что, когда напор компрессора становится равным статическому, производительность падает до нуля, момент резко уменьшается и интенсивность торможения падает. С этих позиций можно объяснить и поведение напора - при закрытом обратном клапане и слабом торможении он на небольшом отрезке времени изменяется очень мало.

Результаты вычислительных экспериментов на математических моделях технологического комплекса используются для создания реальных схем самозапуска высоковольтных электроприводов. В частности, они предусматривают такой режим самозапуска, при котором ток трансформатора в процессе пуска не превышает заданной величины.

Статья поступила 2.02.2015 г.

Библиографический список

1. Гоппе Г.Г., Павлов В.Е. Исследование условий самоза- мущениях в электрических сетях // Вестник ИрГТУ. 2013. пуска электроприводов технологических установок при воз- № 12 (83). С. 252-257.

УДК 621.311.16

КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ © М.А. Дубицкий1, Е.А. Сухарева2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Выполнен анализ категории качества. Показано несовершенство определений для термина «качество электрической энергии» в существующих стандартах. Необходимо заменить в существующих стандартах определение для термина «качество электрической энергии». Качество электрической энергии - комплексное свойство. Ос-

1Дубицкий Михаил Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электрических станций, сетей и систем, тел.: 89025779502, e-mail: dubitskii_ma@mail.ru

Dubitsky Mikhail, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Power Stations, Networks and Systems, tel.: 89025779502, e-mail: dubitskii_ma@mail.ru

2Сухарева Елизавета Андреевна, студентка, тел.: 89500835335, e-mail: sukharevaean@gmail.com Sukhareva Elizabetha, Student, tel.: 89500835335, e-mail: sukharevaean@gmail.com