CC BY
21УДК 621.313.323.016.25
Дорошев Ю. С.
Профессор кафедры горного дела и комплексного освоения георесурсов, Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток
Улихин В.А.
Аспирант кафедры горного дела и комплексного освоения георесурсов, Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ
В статье рассматриваются проблемы оптимизации режима возбуждения синхронных двигателей экскаваторов в зависимости от их фактических нагрузок и экономического распределения реактивной мощности между электроприёмниками фидерных линий. Предлагаются методики построения У-образных характеристик и определения оптимального тока возбуждения синхронного двигателя.
Ключевые слова: ток возбуждения синхронного двигателя, реактивная мощность, У-образные характеристики, фактические нагрузки, карьерные экскаваторы.
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 [1].
При номинальном токе возбуждения общая генерируемая сетевыми двигателями реактивная мощность превышает потребляемую реактивную мощность остальными электроприёмниками разреза. Кроме того, как показывают экспериментальные исследования, фактические нагрузки экскаваторов также значительно отличаются от номинальных (в сторону уменьшения) [2]. В этой связи возникает необходимость установки токов возбуждения синхронных двигателей в зависимости от их фактических активных нагрузок и потребного количества в реактивной мощности на каждой фидерной линии.
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.
У-образные характеристика представляет собой зависимость тока статора от тока возбуждения при постоянных частоте, напряжении на выводах и полезной мощности на валу двигателя т.е. Ii= f (1в) при Pi, Ui, fi = const.
У-образная характеристика позволяет определить условия регулирования возбуждения двигателя, выбрать пусковое положение реостата возбуждения, настроить автоматические регуляторы.
Согласно ГОСТ 10169-77, для определения У-образной характеристики синхронный двигатель подключают к сети и дают ему возможность работать с номинальным напряжением и частотой. При испытании измеряют ток (напряжение, мощность и частоту тока) статора (якоря) и ток возбуждения.
Характеристику определяют как при недовозбуждении, так и при перевозбуждении. Желательно найти точки характеристики при минимальном токе статора, токе возбуждения, равном нулю, и токе статора, равном номинальному (в режиме перевозбуждения).
Для получения характеристики синхронного двигателя при холостом ходе в обмотку возбуждения (0В) подают наименьший ток, при котором двигатель не выпадает из синхронизма. При этом отсчитывают токи статора и возбуждения. Затем увеличивают ток возбуждения до тех пор, пока ток статора не уменьшится до нуля. В этой части характеристики (режим недовозбужденного двигателя) делают отсчёты в четырёх или пяти точках. Дальнейшее увеличение тока возбуждения вызывает увеличение потребляемого тока из сети.
Последнюю точку У-образной кривой снимают при токе статора, превышающем номинальный на 10-20 %. Снимая часть характеристики, соответствующую перевозбуждению двигателя, отсчёты делают также в четырёх — пяти точках.
Аналогичным образом получают U-образные кривые для активной мощности на валу, составляющей 1/3, 2/3 полной мощности либо равной ей. Точки перегиба характеристик соответствуют работе двигателя с Cos9= I.
Однако выполнение требований ГОСТ 10169-77 на практике не представляется возможным. Удаётся получить данные для экскаваторов только в режимах "холостой ход" и "стопор тяги".
Справочные данные по синхронным двигателям также не содержат сведений для построения У-образных характеристик (в частности, значения индуктивного сопротивления х). Вследствие этого возникает необходимость в разработке методики построения У-образных характеристик теоретическим путём на основании паспортных данных синхронных двигателей.
Рабочие характеристики синхронных двигателей могут быть получены на основании У-образных и представляют собой зависимости различных параметров двигателя (мощностей полной и реактивной, тока статора, от потребляемой активной мощности
при различных токах возбуждения. Рабочие характеристики дают возможность выбора режима возбуждения в зависимости от фактических нагрузок синхронных двигателей при условии генерации требуемой реактивной мощности.
Основой теоретических построений являются следующие положения [2].
Изменение тока возбуждения Is вызывает соответствующие изменения в обмотке статора ЭДС Е0, тока статора I1 и падения напряжения jxI1, образующих при любом режиме на векторной диаграмме замкнутый треугольник напряжения:
и = Ё0 + м , (1)
где х- синхронное сопротивление (в построениях принимается допущение, что магнитная цепь в пределах изменения нагрузки не насыщена, т.е. х = const).
Определить значение х можно графическим путем, для чего строится векторная диаграмма (рисунок 1), на которой в масштабе напряжений для номинальных значений фазного напряжения ин, угла нагрузки ©н и угла фн, соответствующему номинальному коэффициенту мощности, проводятся векторы ин, Ео и Ii.
Затем через точку а восстанавливаем перпендикуляр к вектору II до пересечения с вектором Ео. Отрезок ав в масштабе напряжений будет соответствовать значению ]х11, из которого и определяется значение х.
Рисунок 1 — Векторная диаграмма синхронного двигателя
Построение 1-ой У-образной характеристики для фактической нагрузки Р; =сопб1 можно осуществлять по программам, составленным для ЭВМ по формуле (2), либо графическим способом.
1- = - VиФ + Е - 2иф-VЕ -(Е0 • БтЩ х *
(2)
где х — синхронное сопротивление, Ом, Иф — фазное напряжение, В, Ео — ЭДС в обмотке статора, В,
0 — угол между продольной осью ротора и осью полюса, или угол нагрузки, град. У-образная характеристика синхронного двигателя экскаватора ЭШ-20/90 приведена на рисунке 2.
Необходимо отметить, что У-образная характеристика двигателя позволяет решать задачи по выбору режима работы синхронного двигателя. В частности, задачу определения тока возбуждения для фактических нагрузок экскаваторов в режимах «работа» и «холостой ход» так, чтобы математическое ожидание реактивной мощности двигателя было равно нулю. В таблице 1 представлены фактические значения режимных параметров, полученных экспериментально, и рекомендуемые расчётные значения токов возбуждения для соответствующих режимов для основных типов экскаваторов. Например, для экскаватора ЭШ-20/90 фактические значения режимных параметров, зарегистрированных во время экспериментальных исследований, составляют в режиме работы «работа» 1в = 230 А, II = 125 А, Р = 1250 кВт, Q = 374 квар, рекомендуемое значение тока возбуждения для этого же режима (обеспечения Р = 1250 кВт) составляет 1в = 214 А при этом ток статора уменьшается на 5 А, а Q = 0 квар, т.е. СоБф =1.
шшшЛауг.заепсе
С0Бф
500
400
300
200
100
Рэл=4134
Рисунок 2 — У-образная характеристика синхронного двигателя экскаватора ЭШ-
20/90
Нами предлагается понятие «совмещенного режима», при котором нагрузка активная и реактивная определяется из годового двухступенчатого графика (рисунок 3) по формуле
(3).
р _ Рр ^ р ^ РЛх
г + г
р хх
(3)
где Рр — нагрузка в режиме «работа», кВт,
Рх.х — нагрузка в режиме холостого хода, кВт,
1р — время режима «работа», мес.,
1х.х — время работы в режиме «холостой ход», мес.
Р
Р
р
рхх
tp Ъ« ^ мес
Рисунок 3 — Годовой двухступенчатый график нагрузки
Полагая 1хх =0,2 1р , получим
Р =
Рр + 0,2РХХ 1,2
(4)
При установке тока возбуждения одинаковым для режимов «работа» и «холостой ход» фактическая нагрузка пересчитывается по выражению (4), и для Рс находится ток возбуждения, который обеспечит в среднем за год либо нулевое потребление реактивной энергии, либо необходимую генерацию реактивной мощности, требуемую для компенсации индуктивной нагрузки в данной линии. Например, требуется генерация реактивной мощности Q=333,6 квар в совмещенном режиме от экскаватора ЭШ-20/90. По У-образным характеристикам определяем ток возбуждения 1в = 236А при фактическом потреблении активной мощности Р=1008,7 кВт. В том случае, если на ЭШ-20/90 будет регулироваться ток возбуждения в режимах «холостой ход» и «работа», то требуемая величина генерируемой реактивной мощности Q=339,3 квар будет вырабатываться только в режиме «работа» с потребляемой активной мощностью Р=1250 кВт и установленным током 1в = 228,5 А.
Т а б л и ц а 1 — Фактические и расчётные рекомендуемые режимные параметры
Экскаватор Режим Фактические режимные Расчётные рекомендуемые
работы параметры режимные параметры
1в, 11, Р, Q, 1в, 11, Р, Q,
А А кВт квар А А кВт квар
ЭШ-20/90 Ном. 270 266 2500 821
х.х 220 29 43,4 300,6 205 5, 5 44 37,5
работа 230 125 1250 374 214 120 1250 0
совмещ. 1008,7 0 236 102,3 1008,7 333,6
совмещ. 217 97,8 1008,7 124,3
работа 228,5 124,6 1250 339,3
работа 219,5 120,9 1250 129,4
ЭШ-10/70 ном. 270 140 1250 605
х.х. 220 42,7 68,5 457 164,5 6, 6 68,5 0
работа 260 100,3 981 580 205 94,4 981 0
совмещ. 789,5 0 198 77 798,5 54,5
совмещ. 206 77,8 798,5 124,1
совмещ. 243,5 88,6 798,5 463,1
совмещ. 193,5 76,8 798,5 12,1
работа 218 95,2 981 128,6
работа 254 104,5 981 466,6
ЭШ-15/90 ном. 271 202 1680 813,7
х.х 176 109 62,7 95,1 169 6 62,7 0
работа 220 78,3 448 679 172 43,1 448 0
совмещ. 369 0 171 35,5 369 0
ЭКГ-8И ном. 280 60 525 269
х.х. 200 16 6,2 169 152,2 0,6 6,2 0
работа 220 44 446 100 197,4 42,9 446 0
совмещ. 358 0 201,5 35,3 358 78,4
совмещ. 192 34,6 358 40,9
совмещ. 224,5 38,2 358 171,9
работа 215 43,5 446 78,6
работа 206,5 43 444 41
работа 237 46 446 172,6
Данные таблицы 1 наглядно показывают, насколько изменяется выработка синхронными двигателями реактивной мощности Q в зависимости от тока возбуждения 1в. Используя данную методику с построением У-образных и рабочих характеристик синхронных двигателей и получения на их основе требуемых для каждого конкретного режима токов возбуждения I в можно оптимизировать распределение реактивной мощности между электроприёмниками фидерных линий на карьерах.
Литература
1. Белых, Б.П., Свердель, И.О., Олейников, В.К. Электрические нагрузки и электропотребление на горнорудных предприятиях [Текст]: Б.П Белых, И.О. Свердель, В.К. Олейников, — М.: Недра, 1971
2. Васянович, А.М. Электроснабжение горных работ [Текст]: учебное пособие / А.М.Васянович, Ю.С.Дорошев, А.С.Коваленко. — Владивосток: Изд-во ДВГТУ. — 2000. — 88 с.
