Определение наивыгоднейших режимов работы высоковольт ных электроприёмников распределительных сетей карьеров с точки зрения сбережения электрической энергии затрачиваемой на их работу Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 622.271:621.316.176 Д.Б. Соловьёв

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАИВЫГОДНЕЙШИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИЁМНИКОВ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ КАРЬЕРОВ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ СБЕРЕЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЗАТРАЧИВАЕМОЙ НА ИХ РАБОТУ

Семинар № 22

В силу специфики горной промышленности, где предметом труда являются природные ресурсы - полезные ископаемые, качественные характеристики которых, имеют тенденцию к ухудшению в связи с их постоянным потреблением и отсутствием воспроизводства, повышение эффективности производства может идти только за счёт совершенствования техники и технологии горного производства.

Однако, в настоящее время большинство горнодобывающих предприятий, ведущих добычу открытым способом, в связи с экономическими трудностями не имеют возможности для того, чтобы выделять значительные денежные средства для замены устаревающего парка машин и механизмов занятого на добыче полезного ископаемого, а тем более затрачивать средства на разработку и последующую смену технологии производства. В связи с этим, основным способом повышение технических показателей и улучшения работоспособности технологического комплекса является проведение мероприятий, связанных с повышением эффективности работы уже имеющегося оборудования, занятого на добыче полезного ископаемого. Особое значение приобретает исследование вопросов оптими-

зации режимных параметров работы электрооборудования горных машин в зависимости от конкретных горнотехнологических условий их эксплуатации, как одним из наиболее перспективных направлений повышения эффективности работы добычного технологического комплекса в целом.

Г орнодобывающие предприятия

могут добиться значительной экономии денежных средств (за счёт снижения уровня потребления активной электроэнергии) без дополнительных инвестиций в распределительную сеть, путём комплексной настройка эксплуатационных параметров синхронных высоковольтных электродвигателей экскаваторов. Эффект может достигаться за счет повышения КПД электродвигателя (получением необходимой механической мощности при минимальном рабочем токе), а также необходимом уровне защиты двигателя. Для качественной комплексной настройки электрооборудования в зависимости от конкретных условий эксплуатации любого промышленного предприятия (а тем более разветвленной сети электроснабжения карьера), необходимо выяснить экспериментальным путём фактические режимные параметры высоковольтных электроприёмников.

Распределительные сети любого промышленного предприятия могут эксплуатироваться в трёх режимах:

1. С коэффициентом мощности еоэф = 1, полностью компенсируя реактивную мощность своих электроприёмников;

2. С опережающим коэффициентом мощности, выдавая реактивную мощность в электрическую сеть организации;

3. С отстающим коэффициентом мощности, потребляя из электрической сети энергоснабжающей организации избыточную реактивную мощность, что оправдано в часы минимальных нагрузок.

Каждый из перечисленных режимов возможен при специально регламентированной работе синхронного двигателя, при котором:

1. Нагрев обмоток статора и ротора синхронного двигателя не должен превышать допустимых норм;

2. Потери активной мощности в электрической сети предприятия и в синхронном двигателе должны быть минимальными при оптимальной суммарной реактивной мощности компенсирующих устройств;

3. Распределение напряжения по узлам нагрузки в электрической сети предприятия должно соответствовать требованиям ГОСТа;

4. При потреблении синхронным двигателем из сети реактивной мощности должен обеспечиваться запас статической устойчивости двигателя.

Экспериментальные исследования проводились на горнодобывающих предприятиях Приморского края, задачами которого являлось: одновременная регистрация комплекса режимных параметров в течении достаточного для объёма выборки времени в режимах «работа», «холостой ход» основных типов экскаваторов: ЭШ -20/90, ЭШ - 15/90, ЭШ - 10/70,

ЭКГ - 8И, ЭКГ - 5; определение статистических характеристик режимных параметров. Для выполнения задач экспериментальных исследований необходимо иметь данные об изменении нескольких режимных параметров. Поскольку исследования являются комплексными, необходима одновременная запись этих параметров. В свети выше сказанного, кафедрой горной электромеханики ДВГТУ, была разработана система непрерывной регистрации параметров режимов электропотребления и показателей качества электроэнергии. Данная система была собрана на основе серийно выпускаемых Витебским заводом электроизмерительной техники измерительных преобразователей (ИП) в совокупности с многоточечным (12 канальным) регистрирующим прибором типа КСП.

Количество одновременно регистрируемых на диаграммной ленте режимных показателей обусловлено количеством имеющихся в наличии измерительных преобразователей. В процессе экспериментов регистрировались: активная мощность, реактивная мощность, фазные (линейные) токи, линейные напряжения, частота сети. Кроме того, была произведена оценка значений коэффициента гармоник Кг показывающим прибором С6 - 11 со входом КСП - 4.

Получение регистограммы режимных параметров высоковольтных электроприёмников подвергались ручной обработке для набора в массива данных. Для облегчения обработки соседние точки каждого режимного параметра соединялись разноцветными линиями, таким образом дискретные графики преобразовывались в непрерывные. Пример фрагментов таких преобразованных регистограмм представлены на рис. 1, 2. Для набора массива данных использовались

Рис. 1. Фрагмент регистограммы (двигательСДЭ2-16-46-6У2)

Рис.2. Фрагмент регистограммы ЭШ-10/70 ЭШ20/90 (двигательСДЭ-2-17-69-8ХЛ2)

наиболее характерные отрезки регистограмм, отображающие соответствующие режимы работы экскаваторов: «работа», «холостой ход», «шагание». Набранный массив представляет собой представительную выборку, обеспечивающую допустимое отклонение среднего арифметического значения режимного параметра в пределах ±3 %.

Как упоминалось выше, полученные в результате проведения экспериментальных измерений данные, представляют собой большой статистический ряд по различным параметрам электрической сети, их обработка в ручную, отняла бы большое количество времени. По этому с целью получения средних значений полученных характеристик электросети была составлена программа для обработки статистических данных с помощью компьютера.

На основании полученных данных были сделаны следующие основные выводы:

1. Работа синхронных двигателей одноковшовых экскаваторов характеризуется значительными изменениями генерируемой реактивной мощности от среднего значения до максимального, что при отсутствии достаточной мощности потребителей реактивной мощности на линии и дефицита реактивной мощности в узле нагрузки приводит к её перетокам в системе электроснабжения предприятия и увеличивает потери активной мощности и энергии.

2. Изменение тока возбуждения синхронного двигателя экскаваторов от максимального до минимального допустимого с учётом дефицита реактивной мощности в узлах нагрузки, принципов построения системы электроснабжения и новой системы расчетов за компенсацию реактивной мощности позволит использовать син-

хронный двигатель в качестве регуляторов реактивной мощности для поддержания рациональных режимов компенсации реактивной мощности в узлах нагрузки и получить на этой основе соответствующий эффект за счёт снижения стоимости выработки реактивной мощности синхронным двигателем, потерь энергии в электрических сетях, реактивной мощности и энергии предприятия, что в итоге приведёт к уменьшению платы за электроэнергию. Однако, в связи с тем, что на сегодняшний день нет четких рекомендаций по определению необходимого режима возбуждения, синхронные двигатели экскаваторов с точки зрения компенсации реактивной мощности работают в неоптимальных режимах.

3. С целью рационального использования компенсирующей способности синхронного двигателя экскаваторов необходимо разработать методику позволяющую решить задачу определения тока возбуждения для фактических нагрузок экскаваторов в режимах «работа» и «холостой ход» так, чтобы обеспечивался оптимальный либо близкий к оптимальному режиму потребления реактивной мощности электроустановками предприятия.

Мощность, потребляемая двигателями главных приводов экскаватора, резко меняется, как по величине, так и по знаку, вследствие случайного характера нагрузки и резких переходов от двигательного режима к режиму генераторного торможения при опускании ковша и торможении поворотной платформы. Сетевые двигатели преобразовательных агрегатов, как правило, для большинства экскаваторов синхронные, связаны электромеханической трансмиссией с двигателями главных приводов, в интегральной форме отображают характер их нагрузки.

Однако, несмотря на случайный характер формирования графика нагрузки сетевых двигателей экскаваторов, существуют вполне определённые закономерности в её формировании, что обусловлено цикличностью работы экскаваторов и стабильностью технологического процесса. Наиболее важными из этих закономерностей являются: средняя потребляемая мощность определенной модели экскаватора за цикл экскавации - величина статистически постоянная; для оценки электропотребления на экскаваторные работы достаточно лишь одного параметра - производительности.

Отсюда появляется возможность по заданной производительности, имея энергетические характеристики экскаваторов, определять расчетные нагрузки сетевых двигателей по плановым показателям, и, соответственно, выбирать режим возбуждения, для чего необходимо иметь У-образные и рабочие характеристики синхронных двигателей. Что позволяет разработать простую методику определения тока возбуждения синхронного двигателя карьерного экскаватора в зависимости от потребного количества реактивной мощности на фидерной линии. Суть которой заключается в следующем:

При номинальном режиме работы активная мощность, потребляемая синхронной машиной из сети может быть определена по выражению

Р = Р + АР + АР 1 +

г ном. 1 пост ~ ^ ном ~ £Л1 1н,ном ~

+АР вном + АРл , (1)

где Рном - полезная мощность на валу; АРпост - постоянные потери (в стали и механические); АР 1н>ном - потери в обмотке статора, включая добавочные потери; АР вном - потери на возбуждение при номинальном токе воз-

буждения; ДРл - потери в линии электропередач.

Общие потери активной мощности при номинальной нагрузке

Р ном _ ДР пост + ДР 1н,ном + ДР вном +

+ДРл, (2)

При нагрузке на валу Р, токе статора I и токе возбуждения 1в, отличных от номинальных значений общие потери:

(

ДР = ДР

+ДР

-ДР..

I ,

V ном у

Р

2

л,ном

а

2

л,ном

(3)

и

Я

где Нл - активное сопротивление линии электропередач; ил - напряжение линии электропередач.

С учётом довольно трудоёмких преобразований и при наличии нескольких синхронных машин, получаем выражение для суммарных потерь активной мощности:

Удр = У С + У Бр2

Р 1 1~1

/=1 /=1 /=1

+У А а +У В а +ДР

і і і і л

(4)

/=1

/=1

где Сi - составляющая потерь, независящая от активной и реактивной мощностей; Э Д.2 = Э (Р/Рном)2 - составляющая потерь, изменяющаяся пропорционально квадрату активной мощности; Аа2 = А(0/0ном)2 - составляющая потерь, изменяющаяся пропорционально квадрату реактивной мощности; Ва = В(0/0ном)2 - составляющая потерь, изменяющаяся пропорционально реактивной мощности; п - число синхронных машин.

Экономичным является такое распределение общей реактивной нагрузки Онагр между отдельными её источниками, при котором суммарные

потери ^ДРр минимальные, что от/

вечает условию:

д£ДР / дО = 0 (5)

Дифференцируя выражения (4), (5) по О, находим условие экономичности распределения реактивной мощности:

дАРр1 дАРр 2

dQ1 dQ2

dAPfo

dQ

_ Q_

Q2 ' Q. "s Q.

+ b

(8)

где

а = 2^ + 2АрНОм • sin2 ^

^ —2 6

b = — ■

Q .

Величины А и В, входящие в выражение (8), определяются по следующим выражениям:

А = АР

где *.1 =.

■ sin р +

а

АР.

1 + B2xd cos2 ри

'Xd + 2xd sin Рн

(9)

(10)

а1 = 1 + (1 - B cos ) + 2sinffHoM -1

V Xrf sin

(11)

Здесь xd - индуктивное сопротивление по продольной оси синхронной машины, т.е.;

В =

2АРвном к.1 (1 - к.1 )

а

(6)

или Чъ= ^2Е= ••• = , (7)

т.е. экономичное распределение общей реактивной нагрузки между отдельными её источниками имеет место при равенстве относительных приростов активных потерь я, зависящих от реактивной мощности.

Зависимость относительного прироста от реактивной мощности для синхронных машин выражается прямой линией:

2 АО В

q = —=- + — = а

(12)

На основании вышесказанного можно составить методику оптимального по условию минимума потерь активной мощности распределения реактивной мощности.

Методика определения минимальных потерь.

1. Задаются необходимой для данного угла нагрузки величиной реактивной мощности Онагр.

2. Рассчитываются относительные приросты потерь я активной мощности для каждой синхронной машины с использованием выражений (8), (9),

(10), (11) и (12).

3. Определяется распределение реактивной нагрузки по отдельным синхронным нагрузкам. Распределение реактивной нагрузки осуществляется графически следующим образом. Строятся графики относительных приростов О = КяО для всех машин. После чего строится суммарный график qъ. По оси ординат откладываются первые значения яь причём:

Я11 = Я21 = Я31 = ••• = ян;

Затем откладывается второе значение:

Я12 = Я22 = Я32 = ••• = Я12;

и т.д.

я1п = я2п = я3п = • = я1п;

По оси абсцисс для всех значений я откладывается соответствующая этим значениям qъ величина реактивной мощности, причём:

01 = О11 + О21 + О31 + • •• + Он

02 = О12 + О22 + О32 + • + О]2

Оп = О1п + О2п + О3п + ••• + О1п

4. На основании полученного сум-

марного графика для заданной Онагр определяются значения относительных приростов яь для всех синхронных машин.

5. С учётом полученных значений яь по графикам относительных приростов двигателей находятся значения Оь соответствующие яь для каждой машины.

6. Рассчитывается ток возбуждения синхронной машины 1в и ток статора (определяется по У-образным характеристикам синхронных двигателей).

Применение данной методики позволяет, установить оптимальное рас-

1. Соловьёв Д. Б. Решение проблемы компенсации реактивной мощности на карьерах при комплексной модернизации экскаваторов. «Горные машины и автоматика»

2005, № 7.

2. Соловьёв Д.Б., Дорошев Ю.С. О эффекте от оптимизации процесса использования компенсирующей способности синхронных двигателей мощных одноковшовых экскаваторов. «Горный журнал»

2006, № 9.

пределение реактивной нагрузки узла между источниками при минимальных потерях активной мощности в ЛЭП, питающие подстанцию. Положительным элементом данной методики можно назвать, тот факт, что расчёт можно вести как для всей распределительно сети карьера, так и для каждой подстанции в отдельности (что уменьшает погрешность при расчётах).

Данная методика может быть успешна реализована в программном виде, что позволит в кратчайшие сроки энергетикам эксплуатирующим распределительные сети карьеров определять необходимый ток возбуждения синхронных двигателей карьерных экскаваторов в зависимости от потребного количества реактивной мощности на фидерных линиях.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Соловьёв Д.Б., Дорошев Ю.С. Оптимизация режимов возбуждения сетевых синхронных двигателей одноковшовых экскаваторов на угольных разрезах с помощью У-образных характеристик. «Г орные машины и автоматика» 2006 № 8.

4. Соловьёв Д.Б., Дорошев Ю.С. Экономичное распределение реактивной нагрузки между электроприемниками фидерных линий угольных разрезов. «Горный журнал» 2006 №12. ШИЗ

— Коротко об авторах--------------------------------------------------------------

Соловьёв Д.Б. - аспирант, Дальневосточный государственный технический университет г. Владивосток.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 22 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. A.B. Ляхомский.