Влияние на качество электроэнергии ступенчатого фильтро-компенсирующего устройства при работе буровых установок с частотно-регулируемым электроприводом Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© Н.Ю. Шевырева, 2015

УДК 62-83:621.313.3 Н.Ю. Шевырева

ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ СТУПЕНЧАТОГО ФИЛЬТРО-КОМПЕНСИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ПРИ РАБОТЕ БУРОВЫХ УСТАНОВОК С ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Исследовано влияние ступенчатого фильтро-компенсирующего устройства на коэффициент мощности, реактивную мощность, отклонение напряжения и коэффициент искажения синусоидальной формы напряжения сети при работе частотно-регулируемых электроприводов буровых установок. Для расчета этих показателей разработана визуальная модель частотно-регулируемого электропривода с применением фильтро-компенсирующего устройства. Приведены полученные на визуальной модели зависимости напряжения и тока от времени на стороне 6 кВ трансформатора в установившемся режиме работы при отсутствии и включении фильтро-компенсирующего устройства. Показано, что применение полупроводникового преобразователя частоты без фильтро-компенсирующего устройства приводит к искажению синусоидальной формы напряжения и тока сети. Его включение приводит к уменьшению искажения синусоидальной формы напряжения и тока сети Получены зависимости коэффициента мощности, реактивной мощности, отклонения напряжения и коэффициента искажения синусоидальной формы напряжения сети от длины питающей линии при отсутствии и включении ступеней фильтро-компенсирующего устройства. Исследовано влияние фильтров на уменьшение искажения синусоидальной формы напряжения сети при их различной настройке на относительную резонансную частоту ниже пятой гармоники. Доказана целесообразность данной настройки по сравнению с точной фильтрацией высших гармоник. Показано, что путем изменения числа включенных ступеней фильтро-компенсирующего устройства возможно получить нормально допустимые значения отклонения напряжения, коэффициента искажения синусоидальной формы напряжения сети и коэффициент мощности близкий к единице. Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод, буровая установка, фильтро-компенсирующее устройство, коэффициент мощности, отклонение напряжения, коэффициент искажения синусоидальной формы напряжения сети, настройка фильтров, длина линии, визуальная модель.

На буровых установках российского производства в течение последних нескольких лет используется частотно-регулируемый электропривод переменного тока [1]. Применение на современных отечественных буровых установках регулируемых электроприводов с полупроводниковыми преобразователями приводит к увеличению реактивной мощности и искажению синусоидальной формы напряжения сети [2, 3, 5].

Для повышения показателей качества электроэнергии при работе БУ с частотно-регулируемым электроприводом необходимо применение фильтро-компенсирующего устройства (ФКУ). В работе рассматривается возможность применения простейших фильтро-компенсирующих устройств ступенчатого типа (ФКУ-С) для обеспечения работоспособности системы «преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель» (ПЧ-АД).

Определены значения отклонения напряжения, коэффициента мощности, коэффициента искажения синусоидальности напряжения сети при отсутствии и наличии ступенчатого ФКУ. Изучалось влияние различных настроек фильтров с целью уменьшения искажения синусоидальной формы напряжения сети. Все фильтры настраиваются на одну резонансную частоту ниже пятой гармоники. Рассмотрены варианты настройки на относительные резонансные частоты К = 3,78; 4,2; 4,7.

рез ' ' ' ' '

Предлагаемые методы исследования и выбора ФКУ рассматриваются на примере электропривода буровой установки БУ-4200/225 при питании от местной линии электропередачи соизмеримой мощности.

76.3 кв

Б КВ

Рис. 1. Схема электрооборудования установки БУ-4200/225 с ФКУ ступенчатого типа ФКУ-С

Исследования выполнены для режима турбинного бурения двумя насосами, который является наиболее тяжелым по активной мощности.

На рис. 1 показана схема электрооборудования буровой установки БУ-4200/225, имеющего следующие особенности:

• электроснабжение буровой установки осуществляется от воздушной линии электропередачи напряжением 6 кВ;

• в конце и в начале линии 6 кВ возможна дополнительная электрическая нагрузка, в основном за счет установок для механизированной добычи нефти;

• электроэнергия, получаемая от вторичных обмоток трансформатора (Т), при помощи мостовых трехфаз-

ных неуправляемых выпрямителей (В) преобразуется в энергию постоянного тока с номинальным напряжением 900 В;

• от общих шин постоянного тока питаются инверторы напряжения (И), от которых получают питание электродвигатели насосов, лебедки и ротора;

• номинальная мощность электродвигателей насосов (МН1 и МН2), лебедки (МЛ) и электродвигателя ротора (МР) одинакова и равна 1200 кВт при номинальном напряжении переменного тока 690 В;

• используется ФКУ ступенчатого типа (ФКУ-С), ступени которого (Ф1, Ф2, Ф3, Ф4) с помощью контакторов (или трехфазных тиристорных ключей) подключаются к вторичным обмоткам трансформатора (Т);

• работают также вспомогательные электропотребители, питаемые через трансформатор Т2;

Для расчета отклонения напряжения, коэффициента мощности, коэффициент искажения синусоидальности напряжения сети при отсутствии и наличии ступенчатого ФКУ разработана визуальная модель частотно-регулируемого электропривода буровой установки, описание которой дано в [4].

На рис. 2, 3 приведены полученные на визуальной модели зависимости напряжения и тока от времени на стороне 6 кВ трансформатора Т (рис. 1) в установившемся режиме работы при отсутствии и включении ФКУ. Из приведенных графиков видно, что применение полупроводникового преобразователя частоты без ФКУ приводит к искажению синусоидальной формы напряжения и тока сети (рис. 2). Однако включение ФКУ приводит к уменьшению искажения синусоидальной формы напряжения и тока сети (рис. 3).

Рис. 2. Зависимости напряжения и тока от времени на стороне 6 кВ в установившемся режиме работы без ФКУ

Рис. 3. Зависимости напряжения и тока от времени на стороне 6 кВ в установившемся режиме работы с ФКУ

ли, %

4113.78 2

ли

42

4.7 -

0 1 4 с ^ 5

N -

>

I, Ш

—^^ л!,' ... активное отклонение напряжения при Крез =3.78 .... ди1т - аетивмое отклонение напряжения при Креа = 4,2

- - ди(, активное отклонение напряжения при Крез = 4,7

4,7

Рис. 4. График изменения параметров отклонения напряжения на вводе буровой установки в зависимости от длины линии для установки БУ-3900 ЭПКБМ с ФКУ-С

42

Ku ,

jT

■

- .......

¡0 * - \

------ - - ----- ---А - 1_---^ ----1

1. ш

75- коэффициент искажения кесинусоидапьности при Крез = 3.76 .... Ки ^ - коэффициент искажения кестоусондальности при Крез = 4,2 Ки4 7 - коэффициент искажения несинусоидапьности при Крез = 4,7

Рис. 5. График изменения параметров коэффициента искажения несинусоидальности на вводе буровой установки в зависимости от длины линии для установки БУ-3900 ЭПКБМ с ФКУ-С

Q, вар

Si

и/"

о ЗЛЕ

СЦ.7

-6-10^ ■

< 1 ■

о : .5 3 4 ,J 6 1 а 9

I L, КМ

Q} ц - реактивная мощность при Пред = 3.78 Q47 - реактивная мощность при Крез =4.2 - реактивная мощность при Крез = 4.7

Рис. 6. График изменения параметров реактивной мощности на вводе буровой установки в зависимости от длины линии для установки БУ-3900 ЭПКБМ с ФКУ-С

1-5 3 6 7.5

■ С05((>з - коэффициент мощности при Крез = 3.78

СОЭсрд 2 - коэффициент мощности лри Крез = 4,2

— - С05ф41 ' коэффициент мощности лри Крез = 4,7

Рис. 7. График изменения параметров коэффициента мощности на вводе буровой установки в зависимости от длины линии для установки БУ-3900 ЭПКБМ с ФКУ-С

На рис. 4-7 приведены результаты расчетов отклонения напряжения, коэффициента искажения несинусоидальности кривой напряжения, реактивной мощности и коэффициента мощности в зависимости от длины питающей линии 6 кВ.

На основании полученных зависимостей могут быть сделаны следующие выводы.

Отклонение напряжения с увеличением длины линии при отсутствии ФКУ возрастает и при длине линии 5 км достигает предельно допустимого значения минус 10%. Включение по одной ступени ФКУ на каждой вторичной обмотке трансформатора Т приводит к уменьшению отклонения напряжения примерно до минус 5%. С увеличением длины линии до 7 км отклонение напряжения достигает предельно допустимого значения минус 10%. Включение второй ступени ФКУ на каждой вторичной обмотке

трансформатора Т приводит к уменьшению отклонения напряжения примерно до минус 4%. С увеличением длины линии более 9 км отклонение напряжения достигает предельно допустимого значения минус 10%.

Из графиков видно, что настройка фильтров практически не влияет на величину отклонения напряжения с увеличением длины линии.

Коэффициент искажения несинусоидальности кривой напряжения с увеличением длины линии при отсутствии ФКУ возрастает и при длине линии 5 км достигает предельно допустимого значения 8%. Включение по одной ступени ФКУ на каждой вторичной обмотке трансформатора Т приводит к уменьшению коэффициента искажения: при настройке фильтров на Крез = 3,78 до 5,1%, при настройке фильтров на Крез = 4,2 до 5%, при настройке фильтров на Крез = 4,7 до 4%. С увеличением длины линии

до 7 км коэффициент искажения возрастает. При настройке фильтров на К = 3,78 и К = 4,2 коэффициент

рез ' рез ' 1 1

искажения превышает нормально допустимое значение 5%. Включение второй ступени ФКУ на каждой вторичной обмотке трансформатора Т приводит к уменьшению коэффициента искажения до значений меньших нормально допустимого значения 5%. С увеличением длины линии до 9 км коэффициент искажения возрастает и превышает допустимые значения.

Реактивная мощность с увеличением длины линии при отсутствии ФКУ практически не меняется и равна примерно 600 квар. Включение при длине линии 5 км по одной ступени ФКУ на каждой вторичной обмотке трансформатора Т приводит к уменьшению реактивной мощности примерно до 150 квар. С увеличением длины линии до 7 км реактивная мощность незначительно возрастает в связи с увеличеием индуктивного сопротивления линии. Включение второй ступени ФКУ на каждой вторичной обмотке трансформатора Т приводит к уменьшению реактивной мощности примерно до - 400 квар. С увеличением длины линии реактивная мощность незначительно возрастает.

Коэффициент мощности с увеличением длины линии при отсутствии ФКУ практически не меняется и равен примерно 0,965. Включение при длине линии 5 км по одной ступени ФКУ на каждой вторичной обмотке трансформатора Т приводит к увеличению коэффициента мощности примерно до 0,997. С увеличением длины линии до 7 км коэффициент мощности

1. Абрамов Б.И., Коган А.И. и др. Частотно-регулируемый электропривод буровых установок БУ - 4200/250 // Электротехника. - 2009. - № 1. - С. 8-13.

2. Абрамов Б.И., Пономарев В.М., Коган А.И., Кожаков О.И., Шиленков В.А.,

незначительно уменьшается в связи с увеличением индуктивного сопротивления линии. Включение второй ступени ФКУ на каждой вторичной обмотке трансформатора Т приводит к уменьшению коэффициента мощности примерно до 0,985 (емкостной характер нагрузки). С увеличением длины линии с 7 км до 9 км коэффициент мощности увеличивается до 0,987 (емкостной характер нагрузки).

Сравнение графиков позволяет сделать вывод, что настройка фильтров практически не влияет на величину реактивной мощности и коэффициент мощности.

Выводы

1. ФКУ со ступенчатым регулированием реактивной мощности при питании регулируемых электроприводов буровых установок от линии электропередачи может обеспечить приемлемые показатели по реактивной мощности, отклонению напряжения (10%) и по уровню искажений напряжения в питающей сети (5-8%). При правильном выборе ФКУ возможно обеспечить нормальную работу буровой установки при длине линии до 9 км вместо 5 км при отсутствии ФКУ.

2. Настройка всех ступней ФКУ на одну резонансную частоту ниже пятой гармоники обеспечивает уменьшение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на вводе буровой установки до допустимого уровня 5-8%, что доказывает ее целесообразность по сравнению с «точной» фильтрацией определенного ряда высших гармоник.

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Шевырев Ю.В. Регулирование качества электроэнергии в системах электроснабжения современных буровых установок наземного и морского бурения / Труды VII международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012:

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический институт имени В. И. Ленина». - Иваново, 2012. - С. 465-470.

3. Бабкин Е.А. Совершенствование, исследование и диагностирование систем управления асинхронного частотно-регулируемого электропривода механизмов буровой установки: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.09.03 / Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт». - М., 2010. - С. 20.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

4. Шевырева Н.Ю., Фащиленко В.Н. Моделирование частотно-регулируемого электропривода буровой установки и оценка его влияния на качество электроэнергии // Вести высших учебных заведений черноземья. - 2013. - № 2. - С. 15-21.

5. Шевырев Ю.В. Повышение качества электрической энергии в сетях с полупроводниковыми преобразователями // Горный информационно-аналитический бюллетень. -ОВ4. Электрификация и энергоэффективность. - 2011. - С. 234-241. ЕИ2

Шевырева Наталия Юрьевна - аспирантка, e-mail:nshev90@yandex.ru, МГИ НИТУ «МИСиС».

UDC 62-83:621.313.3

THE INFLUENCE OF MULTISTAGE FILTER COMPENSATION DEVICE ON ENERGY GUALITY DURING THE OPERATION OF DRILL RIGS WITH VARIABLE-FREQUENCY ELECTRIC DRIVE

Shevyreva N.Yu., Graduate Student, e-mail:nshev90@yandex.ru,

Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS».

The influence of multistage filter compensation device on power factor, reactive power, voltage deviation and distortion coefficient of sinusoidal form of circuit voltage during the operation of variable-frequency electric drives of drill rigs was explored. The visual model of variable-frequency electric drive with the using of filter compensation device was designed for the calculation of this coefficients. Obtained on the visual model dependences of voltage and current on time on the side of the 6 kV transformer in steady-state operation with absence and inclusion of filter compensation device were shown. It's shown that the use of semiconductor converter without filter compensation device leads to a distortion of sinusoidal form of voltage and current. Its inclusion leads to the diminution of distortion of sinusoidal form of voltage and current. Dependences of power factor, reactive power, deviations of voltage and distortion coefficient of sinusoidal form of circuit voltage on the length of power line with absence and inclusion of stages of filter compensation device were received. The influence of filters on the diminution of distortion of sinusoidal form of circuit voltage with their various settings on the relative resonance frequency below the fifth harmonic was explored. The expediency of this setting was proved compared with the exact filtration of a certain numbers of higher harmonics. It's shown that by changing the number of engaged stages of filter compensation device is possible to get permissible values of voltage deviation, distortion coefficient of sinusoidal form of circuit voltage and power factor close to unity.

Key words: variable-frequency electric drive, a drill rig, filter compensation device, power factor, voltage deviation, distortion coefficient of sinusoidal form of circuit voltage, filter tuning, length of the line, a visual model.

REFERENCES

1. Abramov B.I., Kogan A.I. Elektrotekhnika, 2009, no 1, pp. 8-13.

2. Abramov B.I., Ponomarev V.M., Kogan A.I., Kozhakov O.I., Shilenkov V.A., Shevyrev Yu.V. Trudy VII mezhdunarodnoi (XVIII Vserossiiskoi) konferentsii po avtomatizirovannomu elektroprivodu AEP-2012: FGBOUVPO «Ivanovskii gosudarstvennyi energeticheskii institut imeni V.I. Lenina» (Work of VII international (XVIII All-Russian) conference of automated electric drive AED-2012: FSBEI HPE «Ivanovsky state energy institute by V.I. Lenin»), Ivanovo, 2012, pp. 465-470.

3. Babkin E.A. Sovershenstvovanie, issledovanie i diagnostirovanie sistem upravleniya asinkhronnogo chastotno-reguliruemogo elektroprivoda mekhanizmov burovoi ustanovki (Improvement, research and diagnosis of systems of control of asynchronous variable-frequency electric drive of drill rig), Candidate's thesis, Moscow, MEI, 2010, pp. 20.

4. Shevyreva N.Yu., Fashchilenko V.N. Vesti vysshikh uchebnykh zavedenii chernozem'ya, 2013, no 2, pp. 15-21.

5. Shevyrev Yu.V. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', special issue 4, 2011, pp. 234-241.