автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование и разработка способов и средств обеспечения группового самозапуска электродвигателей с параллельно включенными косинусными конденсаторами

На правах рукописи

НОСОВ ДМИТРИЙ КОНСТАНТИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И СРЕДСТВ

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГРУППОВОГО САМОЗАПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С ПАРАЛЛЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫМИ КОСИНУСНЫМИ КОНДЕНСАТОРАМИ

Специальность 05.09.03 электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новокузнецк 1997г.

Работа выполнена в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности

Научные руководители: доктор технических наук, профессор, академик

РАЕН РФ Курехин В.В.

кандидат технических наук, профессор Брагинский В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Обру сник В.П.

кандидат технических наук Кузнецов В.А.

Ведущее предприятие - АООТ "Сибхимпромэнерго", г. Кемерово

Защита состоится " 28 " января 1998г. в 12 часов на заседании диссертационного совета К 063.99.02 в Сибирской государственной горнометаллургической академии по адресу: 654080, г. Новокузнецк, Кемеровской области, ул. Кирова, 42

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГГМА.

Автореферат разослан "_"_199_г.

Учёный секретарь диссертационного совета К 063.99.02

кандидат технических наук, доцент —з А.И.Петрачков

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Темпы роста промышленного производства на современном этапе должны обеспечиваться широким применением автоматизированного электропривода и увеличением единичной мощности электродвигателей, что ведёт к интенсификации технологических процессов. Вместе с тем возрастают их взаимозависимость и -ущерб от аварийных режимов в системах электроснабжения.

Особенно чувствительны к бесперебойности электроснабжения промышленные предприятия с непрерывными и сложными технологическими процессами (например, химические, металлургические, угольные и др. отрасли). Для повышения надёжности электроснабжения ПУЭ рекомендует внедрять на них самозапуск ответственных электродвигателей.

Большой вклад в разработку режимов работы электродвигателей внесли теоретические и практические исследования И.А. Сыромятникова, Л.С. Линдорфа, М.И. Слодаржа, И.Д. Урусова и др. учёных. Однако, как показал анализ состояния вопроса, очень мало уделено внимания режимам группового самозапуска электродвигателей при наличии в сетях косинусных конденсаторов. В связи с этим, исходя из особенностей их управления, защиты и автоматики, вопросы исследования и разработки способов управления косинусными конденсаторами в режимах группового самозапуска являются актуальными.

Цель и задачи исследований - цель настоящей работы состоит в повышении надёжности систем управления и коммутации косинусных конденсаторов и исследование их влияния на режимы группового самозапуска ответственных электродвигателей.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• провести анализ и исследование процессов коммутации в схемах включения незаряженных и заряженных конденсаторных батарей;

• исследование статической и динамической устойчивости узлов нагрузки в режимах группового самозапуска ответственных

• электродвигателей при включеных косинусных конденсаторах;

• исследование влияния величены ёмкости включённых косинусных . конденсаторов на максимальную суммарную самозапускаемую

мощность ответственных электродвигателей;

• разработка практических рекомендаций по обеспечению режимов группового, самозапуска ответственных электродвигателей при включенных косинусных конденсаторах.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Определён оптимальный угол сдвига фаз при включении косинусных . конденсаторов, исключающий повышенные броски токов при

-коммутации.

2. Исследована статическая и динамическая устойчивость двигательной ■ -'нагрузки с включенными косинусными конденсаторами в режимах - группового самозапуска электродвигателей.

3: Предложен способ и средства обеспечения группового самозапуска

• ' электродвигателей при включённых косинусных конденсаторах в

системах электроснабжения и созданы практические схемы устройства для реализации. Практическая ценность работы - заключается в разработке нового способа и устройства включения косинусных конденсаторов, исключающих возникновение повышенных токов коммутации, что значительно повышает эксплуатационную надёжность применяемых коммутационных аппаратов.

В рамках обеспечения режимов группового самозапуска ответственных электродвигателей при включённых параллельно с ними, косинусных конденсаторах разработано средство их управления, с целью обеспечения статический и динамической устойчивости в различных режимов системы электроснабжения.

Апробация работы. Содержание и основные положения работы докладывались и получили одобрения на научно-технических конференциях КемТИПП (Кемерово, 1995-1996гг.), на научных семинарах кафедр "Общей электротехники и электрооборудования" КемТИПП (Кемерово, 1993г. и 1997г.), "Электроснабжение горных и промышленных предприятий" КузГТУ (Кемерово, 1997г.)

Публикации. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований опубликовано семь печатных работ.

Структура. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Основный материал диссертации изложен на 161 страницах машинописного текста, включает 37 рисунков и 8 таблиц, 80 использованных источников.

...... , Содержание работы г

Первая глава - введение и постановка вопроса исследования -посвящена обоснованию актуальности работы, необходимости исследования и разработке комплексных мер по обеспечению группового самозапуска ответственных электродвигателей с включенными косинусными конденсаторами напряжением как до, так и выше 1 кВ на промышленных предприятиях с указанием расширенных задач исследования

Во второй главе - проведён анализ современного состояния вопроса исследований. Установлено, что несмотря на большой вклад в решение задач обеспечения режцмов группового самозапуска электродвигателей, с учётом различных взаимосвязанных факторов, остаются не решенными проблемы влияния на эти режимы включённых конденсаторных батарей. Известные исследования этих вопросов дают противоречивые выводы.

Отсутствуют данные о коммутационных особенностях аппаратов в цепях косинусных конденсаторов как в автоматическом (ручном) режиме регулирования, так и в режимах малых и больших возмущений в системах электроснабжения. Нет анализа поведения защит и автоматики косинусных конденсаторов в переходных режимах. Нет исследований влияния включенных косинусных конденсаторов на устойчивость ответственных электродвигателей в режимах группового самозапуска.

Третья глава посвящена анализу величин реактивных нагрузок и степени их компенсации на примере исследования систем электроснабжения четырёх промышленных предприятий различных отраслей промышленности с непрерывными и сложными технологическими процессами.

При выполнении работы был использован способ регистрации самопишущими кВт- и кВАр-метрами суточных нагрузок по вводам 0,4 кВ цеховых трансформаторных подстанций с обработкой полученных данных на ЭВМ по специальным программам. В качестве примера приведен график суточных нагрузок РП-1-10кВ, 1 секции Комбината шёлковых тканей г. Кемерово (Рис.1) и данные по нагрузкам (табл.1).

На базе анализа графиков и таблиц, для' выбранных предприятий, разработаны рекомендации по установке и использованию на них устройств компенсации реактивной мощности. Показано, что учитывая переменный характер нагрузок, все конденсаторные

1-1-10 кВ, нагрузка 1 секции, суммарная ноцкость К. Я. Ику: 2507 шр

3250 2500 "1353

Ш8 1,.........

0,5

650

0

Р(кВг) 0(шр)

Г"

3253

гт

1559 1360 650

I | I ■ ; I

5 12 18

24

Р(кВт) 3(шр)

№

.............,..

у

'Т-'-^-'-'-'-"".....(

I 1 М 1 ' I I I 1,1>'

,/|.....

Гренки активной к реактивной мощностей с откличеннынк В

0 6 12 13 24

Графики с ччетон 10ВК компенсации (Екшешм КЗ)

Рис.1

Таблица 1.

Реактивная нагрузка РП-1,1 секции, в кВАр

№ _ Максимум Необходи- Установлен Требуемая Мощность и

п/п реактивной мая мощ- -ная мощ- дополнительн кол-во ступеней

мощности ность КУ ность КУ ая мощность регулирования

1 470 360 320 40 300+20

2 . 220 180 232 -52 . 80+3*40

3 430 340 333 7 40+240+40.

4 140 50 180 -130 2+20

5 880 740 460 280 120+320+3*40

6 340 240 342 -102 200+2*20

7 420 330 300 30 160+120+2*20

8 450 310 340 -30 80+240+20

2507 • 43

установки (КУ) на подстанциях должны иметь режим автоматического удержания заданного коэффициента мощности, отсутствие чего существенно влияет на величину штрафных санкций энергосистем С2э1 и С5э2 (табл.2).

При внедрении системы автоматического регулирования коэффициента мощности основным препятствием является неспособность существующих коммутационных аппаратов выдерживать броски токов, возникающих в моменты включений и переключений КУ.

На математической модели проведены исследования величин и характера токов включения КУ, при различных временных моментах прохождения синусоиды питающего напряжения в результате чего определён оптимальный угол включения (Рис.2).

Анализ защиты и автоматики КУ, выполняемых согласно ПУЭ, показал, что их функциональные возможности не позволяют управлять КУ в переходных режимах группового самозапуска ответственной нагрузки. При

■0,1 +283 А Кокмцтцконшг сереходоие' процесс« ■цепях сшичесш мшсшров \

»583 В ♦Ш А " . ; .. М««: 1(52,53 й Он» : 555,55 В

-153 А -508 В \

-2ЕЗ й и 1 Иго/1 кькмапш - 58,03 грц, Ск: 383 нк! 1грссс1се: 0,0181 «Гн Вг.рсес;се : 0.1128 0*

ИЛ

«263 А •

«553 8 ШЗй 1ш: 53,34 А Сна : в,03 0

|/2 ________" 1 п

/101

-580 Е •^ЪЬ: -81,55 й < Оып: -5*5,5« !

■т й Чгед коммат*гии • ' 0,0 (лромш : 0,0181 вГн грц, Ск : 303 нк'1 Агросодов : е.1123 Си

Рис 2.

этом, существующие схемы разряда КУ после отютючения, обеспечивают разряд до безопасной величены за время от 3 до5 минут, что не соответствует требованиям режимов самозапуска. • '

По результатам анализа исследований выполненных в третьей главе сделаны выводы о состоянии вопроса по регулированию реактивной мощности на промышленных предприятиях и поставлены задачи дальнейших исследований устойчивости ответственной нагрузки с параллельно

включёнными конденсаторами батареями в режимах группового самозапуска ответственных электродвигателей. Таблица 2

Промышленные предприятия Стоимость, дополнительных потерь ДР, тыс.руб. Штрафные санкции за Оэ1 и Оэ2, тыс.руб. Стоимость автоматизации КУ, тыс.руб.

Химический завод г. Новосибирск 672,89 16'391,30 Till

АОЗТ "ТОКЕМ" г. Кемерово 417,17 30'530,17 Г687

Механический завод г. Кемерово 519,2 27=718,00 2*180

Комбинат шёлковых тканей г. Кемерово 471,00 33' 170,5 1*870

В четвёртой главе проведены исследования устойчивости ответственных электродвигателей в режимах группового самозапуска при наличии в сети включенных конденсаторных батарей.

При анализе режимов группового самозапуска, в первую очередь, интересует тот уровень напряжения при котором вращающий момент становится равным рабочей нагрузке

- икр = V 2 * Ро • Хд . ( 1 )

Критическое напряжение и следовательно запас устойчивости двигателя зависит от его загрузки ш = Ро/Рнолг и от электрической удалённости их от точки системы, в которой напряжение можно считать неизменным

ис.кр = V 2 * Ро * (Хд + Хс). (2 )

При включении ёмкости параллельно двигателям эквивалентное

сопротивление внешней сети составит XX

Хэ

Х,-Хс '

(3)

и2

где Хк = — - сопротивление конденсаторов;

и - линейное напряжение; ()к - мощность конденсаторной установки. Эквивалентное напряжение сети

Критическое напряжение

(4)

Иэ.кр - ^'2 * Ро * (Хс) + Хэ), (5)

В реальных случаях сопротивление двигателей больше эквивалентного сопротивления внешней сети и сопротивление конденсаторов значительно превышает сопротивление питающей системы, поэтому наличие ёмкости вблизи зажимов двигателя ухудшает его устойчивость (Рис.3). При этом, чем выше степень компенсации, тем коэффициент статической устойчивости Кг ниже и при соэср 1,0 устойчивость стремится

и -и,

К 3 =

17.

400% ->0

СО59=0,8

О

0,9

1

Ш.кр

и

0,7

0,8 0,9

1

Рис.3. Влияние изменений соэф на Ид.кр

. Учитывая, что, при аварийном переключении нагрузки (например при действии АВР) с обеспечением группового самозапуска, напряжение на питающих шинах понижается, как минимум, до 0,8 Илом. Снижение напряжения ведёт к росту, статорных и роторных токов и потребляемой реактивной мощности двигателями (Рис.4), что, в свою очередь продолжает процесс понижения напряжения ("лавина" напряжения).

Совершенно другие условия возникают при больших возмущениях в системах электроснабжения. Для их решения мы рассматривали переходные процессы в линейных электрических цепях с привлечением для преобразований и окончательного счёта ЭВМ с использованием пакета "Matead".

Правомерность использования линейной модели объясняется тем, что нас интересовал только момент восстановления питающего напряжения сети

Рис.4. Влияние конденсаторов на устойчивость нагрузки

временном диапазоне.

Задача решалась с использованием в качестве угла нагрузки эквивалентированного ответственного двигателя и косинусных конденсаторов

питающихся, например, от цехового трансформатора по коротким кабельным линиям (Рис.5).

1*1

@ е(1)

_СУУ\ п

Яг

Т

и з

Яз

Рис.5. Схема замещения исследуемой цепи

Составлены уравнения для после коммутационной схемы

=;2+>3

1 1 '

5 3 С • ^ (

'С1,

(6)

¿л 1 1

Да + 4 ^ - - = -и0

где £ - ЭДС источника; Ш - остаточное напряжение на косинусных конденсаторах.

После преобразования и алгебризации системы полученных дифференциальных уравнений, решаем характеристическое уравнение и находим токи.

Затем используя теорему Хевисайта

где а, - корни многочлена q(s)

„ч

(И)

Находим корни многочлена q(s) и дифференцируем q'(s) s

d(s)

Получаем конечный результат

U2(t) = R2l2(t) + L2~l2{t)

m=ш+т

/2(0 = Re[^exp(a10 + f^exp(fl20 + f^exp(a30 + ^exp(û,)] ' <12>

qdai) 9i(e4)

Посредством ЭВМ с применением пакета "Matead" произведены расчёты динамической устойчивости исследуемой схемы (Рис.5) при Uo = 0,7 Uном и различных моментах включения питающего напряжения.

Благоприятные и критические условия режимов включения приведены на Рис.6 и 7 Анализ результатов исследований этих режимов показал, что в неблагоприятном случае токи включения двигателей превышают пусковые токи в два раза (против 1,7 1пуск. допустимых заводом изготовителем в режимах КЗ), а у косинусных конденсаторов 1вкл. > ЮОЪюм., что также недопустимо.

Из полученных результатов следует, что динамическая устойчивость ответственной двигательной нагрузки в режимах группового самозапуска может быть обеспечена только при двух условиях:

- отключение косинусных конденсаторов в момент бестоковой паузы;

- включение питающего напряжения в момент, когда Uс и Uo находятся в противофазе.

При восстановлении питающего напряжения на группе ответственной двигательной нагрузки, с отключёнными косинусными конденсаторами, процесс повторного пуска зависит от мощности источника питания, суммарной мощности самозапускаемых двигателей, их удалённости, загрузки,

вгои

:536 «!5

:аи м

1535

12(1) шж

5Я.5Ч5 МХ1 "'.'ИЗ?

ОЛИ £

¡41 2У:

¡37 \«5Й1 >.!' ,7-1

-.¡мо::

тт*^'------

!!

шщ

ООЩ

I

зис.м . 2323.7И 1454.629 ЯЗЯ4 13(1) "257.531 -1158«» -ЯГ>} 41

-«¡«.г«

гг

■ ¡и!' I'.'

„-V гг>

ЫЫ2*

¿пгл -к."-

щц

-о ;

• -ГЛ'бП! -

.. — г,

______1 I , , . :

г .. '

> I

у ^

рис.6. Графики включения электродвигателей и компенсирующих устройств при не совпадении их напряжений ис и и о по фазе

10» 1) и»» о»« 1М01

12(1) -1)143 401«

•чол

-»4175 -114).»

»5»

319*4

н»» 1ЛН «(С) "«I

-да» -в»; -«1«« -»3

714 (4

та 11(1» на

-1ИО ->40»

тт"

.,) • I

-ОбП

яа

юи

ГШ 12 140 11 М(£) «0)4

-«в4

-тя

рис.7. Графики включения электродвигателей и компенсирующих устройств при совпадении нахождении их напряжений ис и Цо по фазе

длительности - бестоковой паузы, т.е. вопрос исследований не вызывает сомнений.

В случае же благоприятного восстановления напряжения сети в узле ответственной двигательной нагрузки, при включенных косинусных конденсаторах, процесс самозапуска должен зависеть от мощности включенных конденсаторных батарей, так как они непосредственно влияют на уровень напряжения на статорных обмотках двигателей. Для исследования использована схема замещения сети (Рис.5), считая напряжение сети Ис постоянным.

Выражение для расчёта Ца, через действительные значения проводимостей линии qл и ел, электродвигателей цд и вд и конденсаторов вс получены в виде

I_I

I I

I I

■ 1

• I

и1=и\

2 '

(13)

Для успешного самозапуска необходимо, чтобы напряжение и с) на каждом электродвигателе в процессе разгона не превышало бы минимально допустимого

где Ш.ном - номинальное напряжение АД;

М(Б) и Мс(Б) - электромагнитный момент АД и момент сопротивления нагрузки в зависимости от скольжения.

Для каждого двигателя из группы существует частный график Ш.кр (Б). Огибающая частных графиков даёт общий график Ш.о (Б), по которому определяется допустимая суммарная мощность не отключаемых электродвигателей по условиям мощности сети. Достичь желаемого напряжения на электродвигателях при самозапуске можно подбором соответствующий проводимости (мощности) конденсаторов.

Выбор допустимой по условиям сети мощности самозапускаемых АД при заданных параметрах сети и конденсаторов осуществлялась графически с использованием неравенства, полученного с учётом выражений (13) и (14):

Этому неравенству в координатах проводимостей и вд

электродвигателей соответствует область внутри окружности (Рис.80 )

(14)

(15)

(16)

и координатами её центра

Чо = -фг; ео = -вд+вс ,

(17)

Конец вектора полной проводимости Уд группы электродвигателей при всех скольжениях должен лежать внутри окружности. Сравнением величин полученного

напряжения ид и ид.кр., на основе выражения (15) определяется полное сопротивление ответственных электродвигателей Ъд, самозапуск которых после восстановления питающего напряжения будет успешным.

Наибольшее напряжение Ш требуется в первоначальный момент процесса самозапуска. Это вынуждает использовать максимально-возможную ёмкость конденсатора. Однако по мере изменения скольжения (разгон электродвигателей) уменьшается их проводимость и главным образом реактивная вд , изменение которой достигает трёх-четырёх кратного значения. Сеть, из-за уменьшения реактивного тока электродвигателей переходит в режим перекомпенсации, что ведёт к снижению напряжения ид на статорах двигателей.

Как показали исследования, исключить этот недостаток можно, по мере

Рис. 8. Выбор допустимой самозапускаемой мощности ответственных

эл.двигателей

В пятой главе диссертации посвящена разработке способов и средств повышения устойчивости ответственной двигательной нагрузки с параллельно включёнными косинусными конденсаторами в системах электроснабжения промышленных предприятий.

Разработано, исследовано и внедрено в промышленную эксплуатацию устройство тиристорного коммутаторного конденсаторных установок позволяющие разгрузить силовые контакты коммутационных аппаратов при включении как незаряженных, так и заряженных конденсаторных батарей. Устройство прошло успешную промышленную апробацию в системах электроснабжения и признано надёжным как в режимах ручного, так и автоматического управления в условиях эксплуатации.

Устройство так же предназначено для сохранения динамической устойчивости при восстановлении питающего напряжения после бес токовой паузы в режимах группового самозапуска ответственной - двигательной нагрузки с параллельно включёнными заряженными косинусными конденсаторами.

Для сохранения статхгческой и динамической устойчивости ответственной двигательной нагрузки с параллельно включёнными косинусными конденсаторами в переходных процессах группового самозапуска создано устройство контроля за режимами работы конденсаторных батарей. Устройство позволяет отключать коммутационные аппараты статических конденсаторов как при малых, так и больших возмущениях в системах электроснабжения

Общие выводы и рекомендации

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в

диссертационной работе, позволили получить следующие новые результаты:

1, Посредством созданной математической модели произведены расчёты и - определён оптимальный угол коммутации косинусных конденсаторов,

обеспечивающий минимальный ток их включения в сеть.

2. Исследовано влияние степени уровня компенсации в Системах электроснабжения на величину коэффициента статической устойчивости ответственной двигательной нагрузки в режимах группового самозапуска. Показано, что в этих режимах конденсаторы необходимо отключать.

.3.-Используя созданную математическую модель проведено исследование динамической устойчивости ответственной двигательной нагрузки с параллельно включенными косинусными конденсаторами в режимах группового ' самозапуска при больших возмущениях питающего напряжения. Определены два условия сохранения динамической устойчивости:

• отключение косинусных конденсаторов в момент бес токовой паузы;

• восстановление питающего напряжения в момент времени, когда напряжение сети и остаточная ЭДС заряда конденсаторов находятся в противофазе.

4. Исследован процесс группового самозапуска ответственных электродвигателей с параллельно включенными косинусными конденсаторами после благоприятного восстановления питающего напряжения. Доказано, что обеспечение устойчивости режима самозапуска возможно поэтапным регулированием ёмкости конденсаторных батарей.

5. Разработано устройство тиристорного коммутатора конденсаторных установок позволяющего разгрузить силовые контакты коммутационных

аппаратов при включении незаряженных, так и заряженных конденсаторных батарей.

6. Для сохранения статической и динамической устойчивости ответственной двигательной нагрузки с паратлельно включёнными косинусными конденсаторами в переходных процессах группового самозапуска, создано устройство контроля за режимами работы конденсаторных батарей.

7. Выполненная работа позволила внести дополнения в способы обеспечения группового самозапуска электродвигателей с параллельно включёнными косинусными конденсаторами, а результаты внедрения получить годовой экономический эффект порядка 15 млн. рублей на одно промышленное предприятие, только за счёт исключения недопустимых переходных токов при коммутации конденсаторных установок.

Публикации

1. Повышение устойчивости регулируемых источников питания в режиме самозапуска электропривода /Носов КБ., Белокуров Г.М., Баженов В.П., Носов Д.К./ К совершенствованию технологических процессов и оборудования пищевой промышленности: Сб. науч. трудов КузПИ. -Кемерово, 1991.

2. Носов Д.К., Брагинский В.И., Носов К.Б. Проблемы автоматического слежения за коэффициентом мощности промышленного предприятия // Автоматизация и электрификация горных работ: Сб. науч. трудов КузГТУ. -Кемерово, 1995.

3. Носов Д.К., Брагинский В.И., Носов К.Б. Тиристорный коммутатор коммутационных аппаратов батарей косинусных конденсаторов // Автоматизация и электрификация горных работ: Сб. науч. трудов КузГТУ. -Кемерово, 1995.

4. Тиристорный коммутатор для включения конденсаторных установок без ударных коммутационных токов / Носов Д.К., Брагинский В.И., Носов К.Б., Баженов В.П.// Новое в технике и технологии пищевых отраслей: Сб. науч. работ КемТИПП. - Кемерово, 1995.

5. Носов Д.К., Носов К.Б., Хисамутдинов С.М. Управление конденсаторными установками в цепях электроснабжения //Комбинированные пищевые продукты: Тез. науч. работ КемТИПП. - Кемерово, 1996.

6.Носов Д.К., Носов К.Б., Хисамутдинов С.М. Поперечная емкостная компенсация и групповой самозапуск электродвигателей // Комбинированные пищевые продуктов: Тез. науч. Работ КемТИПП. -Кемерово, 1996.

7. Влияние косинусных конденсаторов на устойчивость электродвигателей /Носов К.Б., Брагинский В.И., Носов Д.К., Абрашкин А.К.// Новые технологии: Тез. науч. работ КемТИПП. - Кемерово, 1996.