автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка защиты от аварийных режимов шахтной участковой сети с переменной частотой и напряжением до 1000 В



На правах рукописи

ШПРЕХЕР Дмитрий Маркович

УДК 622.232.72:621.313.333.2 (043.3)

РАЗРАБОТКА ЗАЩИТЫ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ ШАХТНОЙ УЧАСТКОВОЙ СЕТИ С ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТОЙ И НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В

Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Московском государственном гор ном университете и Новомосковском институте РХТЬ им. Д. И. Менделеева. ^

Научный руководитель

засл. деятель науки и техники Российской Федерации, докт. техн. наук, проф. ЩУЦК.ИИ В. И.

Официальные оппоненты: докт. техн. н аук, проф. ИВАНЧЕНКО Г. Е., канд. техн. наук НАБОКОВ Э. П.

Ведущее предприятие — АО «Тулауголь». -

Защита диссертации состоится.. 1995 г

в Ц'. часов на заседании диссертационного совете К-053.12.03 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский про спект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке уни верситета.

Автореферат разослан « Л » »Л . . 1995 г

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, проф. ШЕШКО Е. Е

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Развитие топливно-энергетического комплекса страны требует совершенствования горных малин в направлении повышения их эффективности за счет повышения производит-тьности и начех-ности. Основной горной машиной, которая в значительной мере определяет производительность труда на угольных шахтах, является очистной комбайн, который осуществляет отбойку и погрузку угля на конвейер в комплексно-механизированной лаве. Производительность и надежность очистных комбайнов (ОК), в свою очередь,.в значительной мере определяется типом и мощностью привода. Основными тенденциями развития отечественного привода ОК последних лет являлось увеличение установленной мощности нерегулируемого асинхронного электропривода резания, которая достигла в настоящее время 400-600 кВт, и переход с регулируемого гидравлического привода механизма подачи на регулируемый электрический привод системы "управляемый тиристорный выпрямитель -двигатель постоянного тока" (УВ-ДЛТ) или " преобразователь частоты -асинхронный электродвигатель" (ПЧ-АД).

Наиболее целесообразно для привода механизма подачи применение системы ПЧ-АД. Основное преимущество системы ПЧ-АД заключается в применении надежного, дешевого, работоспособного в тяжелых условиях и неприхотливого в эксплуатации асинхронного электродвигателя с ко-роткозамкнутим ротором. При этом современный уровень развития силовой преобразовательной техники обеспечивает высокую напег-шость преобразователя частоты.

Применение система ПЧ-АД в Приводе механизма подачи ОК приводит к появлению в шахтной кабельной сети мезду ПЧ и АД участка с переменней частотой и напряжением, изменяющимися в широких пределах. Другая особенность участка сети с переменной частотой - ступенчатый характер изменения напряжения на выходе ПЧ, первая гармоника которого изменяется пропорционально его частоте.

Токи короткого замыкания (к.з.) в участке сети с прременными частотой и напряжением на низких частотах ПЧ, равных 5-Ю Гц, могут быть меньше токов нагрузки АД при частотах более 15 Гц. В этом случае максимально-токов&ч защита сети с переменной частотой имеет малую зону действия, которая не превышает 50-60 м. В применяемых на практике системах ПЧ-АД горних машин сеть может иметь длину до ¡XX) м.

Поэтому разработка заэиты от аварийная режимов шахтной ?лсктри-

ческой сети с переменной частотой напряжением до 1000 В является актуальной научной задачей.

Актуальность настоящей работы подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с Целевой комплексной программой Ц601148 Минуглепрома СССР (1986-1992 гг) и Отраслевой научно-технической программой Минтопэнерго России " Уголь России", проект № 0-12 "Создать новое электрооборудование и системы электроснабжения для шахт на базе современных средств коммутации и взрывозащиты, обеспечивающих повышение энерговооруженности и управляемости горних машин и рационального использования электроэнергии" (1993-1994 гг).

Целью работы является установление закономерностей протекания рабочих и аварийных режимов в системе " преобразователь часто-ты-участок шахтной кабельной сети-асинхронный электродвигатель" (ПЧ-УШКС-АД) для разрабоиси средств защиты от коротких замыканий учаспга кабельной сети между ПЧ и АЛ, обеспечивающих повышение безопасности и надежности эксплуатации систем с частотно-регулируемым электроприводом.

Идея работы заключается в том, что выявить аварийный режим трех и двухфазного замыкания в кабельной сети между ПЧ и АЛ возможно путем контроля направлений передачи электрической энергии в ПЧ и АЛ в рабочих и аварийных режимах путем сопоставления длительностей положительных и отрицательных полуволн мгновенных значений тока в звене постоянного тока 114 и электромагнитной мощности на зажимах АД.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Математическая модель системы ПЧ-УШКС-АД в режиме трех-и двухфазного к.з. на участке кабельной сети, отличаются учетом ступенчатой формы напряжения на выходе ПЧ, нелинейности магнитной цепи АД, параметров кабельной линии, выпрямителя й инвертора ПЧ.

2. Способ защиты от к.з. в кабельной сети с переменными частотой и напряжением, новизна которого заключается в том, что контролируются потоки энергии в ПЧ и АД в нормальном и аварийном режимах, а режим к.з. в кабельной сети определяется по фактам перехода АД в генераторный режим подпитки места к.з. и передачи энергии ПЧ также в место к.в.

3. Зависимости ударного тока до и после точки к.з. в кабельной сети между ПЧ и АД, момента АД, времени существования генераторного режима АД от частоты на выходе ПЧ и расстояния от АД до точки замы-Кчнни, позволяющее дать количественный анализ аварийного режима.

4. Методы расчета переходных процессов трех-и двухфазного к.з. в (сабельной сети между ПЧ и АД с помощью математической модели и комплекса алгоритмов и программ, позволяющие более точно рассчитать ударные токи до и после точки аварии, которые могут использоваться в проектных организациях.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным использование положений теории электромагнитных переходных процессов в электрических машинах, математического моделирования, апробированных методов измерений электрических параметров; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение результатов не превышает 10% при доверительной вероятности 0,9); положительными результатами стендовых и промышленных испытан- i.

Значение работы. Научное значение работы заключается в разработке математической модели процесса трех- и двухфазного к.з. в кабельной сети систеш ПЧ-УШКС-АД с учетом ступенчатой формы питающего напряжения ПЧ, нелинейности магнитной цепи АД, параметров кгйелыюй линии, выпрямителя и инвертора ОТ; установлении зависимостей ударных токов до и после течки к.з., момента АД и времени существования генераторного ре?шма АД от частоты на выходе ПЧ и расстояния от АД до точки загжкания; обосновании нового способа построения зацнты от к.з., основанного на дифференциальном контроле направления потоков энергии в ПЧ и АД, что является вкладом в теоргю переход!"'X процессов в трех^аэпих сетях с переменными частотой и напряжением.

Практическое значение работы ваклвчается в определешш количественных характеристик системы в режимах трех- н двухфазного к.з. в кабельной сети мезду ПЧ и АД; разработке структурной схемы, способа и алгоритма функционирования и принципиальных схем scsyvra от аварийных реж'.згав в кабельной линии системы ПЧ-УКХС-АД; разработке способа контроля целостности габелыгой линии перед подключением к пен ПЧ; разработке методов расчета параметров устройств определения знака электромагнитной мощности и контроля целостности кабельной линии; разработке методов расчета переходных процессов трех- и двухфазного к.з. в кабельной сети между ПЧ и АД с помощью математической модели и комплекса алгоритмов и программ с учетом ступенчатой фор»»и нппракч ния на выходе ПЧ, нелинейностей АД, параметров кабельной линии и ПЧ.

Реализация выводов и рекомендаций работы.. Ип основе технически* решений и рекомендаций, изложенных в диссертации, разработала залит."!

.. à, -

от к. з. ь ксбеле между ПЧ и АД, которая применила в шюпериыоиталь-ном образца частотно регулируемого асинхронного электропривода <ЧРЭД махешнама подачи комбайна КШ1КГУЗ, испытанием в условиях 1;ах-ти 15-я Липковская АО "Тулауголь". Скорректированная по результатам • испытаний завдта от к. а. в кабельной линии между ПЧ к АД принята в рабочем проекте частотно-регулируемого электропривода механиьма подачи комбайна К10П),!.

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения защити от к.в. шахтной участковой сети с переменной частотой и напряжением до 1000 В в составе частотно-регулируемого электропривода очистного комбайна КШ1КГУЭ составляет 19,3 млн. руб. в ценах июня 1995 г.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-практической конференции "Охрана труда в цветной металлургии" (Челябинск, 1930), Всесоюзной научно-практической конференции "Электро-и пожаробезопасность при эксплуатации электроустановок" (Дусанбе, 1990), научно-практической конференции "Контроль изоляции в распределительных сетях" (Челябинск, 1992), Международной модвумиской научно-практической конференции "Совершенствование конструкции, технологии изготовления к эксплуатации горного оборудования и средств автоматизации" (Москва, 1992), 2-м Международном симпозиуме ''Автоматическое управление энергообъектами ограниченной мощности" (Санкт-Петербург, 1992), научно-практическом семинаре с международным участием "Проблема повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических и электромеханических систем, комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий" (Москва,1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и за:имения, излаженных на 137 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 14 таблиц, список использованной литературы из 76 наименований и 2 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность доц., канд. техн. наук Кабогану Г.И. за научные консультации и методическую помощь при под-гмсы;е диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопроси оценки опасности токов к.з. в трехфазных электрических

сетях и разработки требований и аппаратуры защиты от этих токов неоднократно рассматривались в работах отечественных и зарубежных ученых. Большой вклад в исследование переходных процессов, происходящих при к.з. в сетях промышленной частоты, содержащих источник питания и асинхронный электродвигатель, внесли К.П.Ковач, И.Рац, Е.А.Каховский, Г.Г.Гимоян, Я.С.Риман, В.И.Щуцкий, Плащг.ч-кий Л. А., Цапенко Е.Ф., Пивняк Г.Г., Бабокин Г.И. и др. Процессы в таких цепях рассматривались методом наложения. Ток в месте аварии определялся как суша токов к. з., протекающих к месту замыкания со стороны источника и со стороны АД.

Применение ПЧ привело к появлению шахтных комбинированных сетей, включающих последовательно три участка: участок переменного тока постоянной частоты с источником трехфазных напряжений; участок постоянного тока, создаваемого мостовым тиристорным управляемым выпрямителем, с полюсами "+" и "-" ; участок сети с переменными частотой и напряжением между инвертором и электродвигателем.

Анализ литературных данных показал, что анализ переходных процессов, происходящих при к.з. в сетях с ПЧ, ранее выполнялся при ряде упрощающих допущений, основные из которых следующие: напряжение на выходе ПЧ считалось синусоидальным (т.е. расчеты велись по первой гармонике выходного напряжения); активное сопротивление звена постоянного тога ПЧ и активные сопротивления обмотки статора АЛ и кабельной сети считались равными нулю; не учитывалась нелинейность магнитной цепи АД. Это снижало точность расчета токов к.з. При этом достаточно полно исследованы переходные процессы, которые происходят при к.з. в трехфазной сети до ПЧ, непосредственно в самом ПЧ, на участке постоянного тока и непосредственно на выходе инвертора ПЧ.

Однако на сегодня отсутствуют исследования электромагнитных переходных процессов, возникающих в результате к.з. в кабеле, соединяющем ПЧ и АД в участке сети с переменными частотой и напряжением, с учетом формы напряжения на выходе ПЧ, параметров ПЧ и (сабельной сети при различных частотах на выходе ПЧ.

Анализ возможности применения максимально-токовых, фильтровых токовых и фззочувствительных защит в сетях с переменными частотой и напряжением показал, что они имеют ограниченную зону действия, равную 50-70 м в зависимости от мощности АД, а критическое значение зоны действия защит следует определять по минимальному рнлчетго тока двухфазного к.з.

иссдадоьаная переходит: процссссь при г.. в в участке га.-

О«льиой сети (УЕ:КС) мелку ПЧ и ЛД выполнялись основе йэзтс-таого математического моделирования: устаноепвксгося ре.-дма работы сг.~:еш ИЧ-УШ5-АД с опрсдегеишйга значениями Еаприхеиал, чсзхохи, ъс.кя» и ■ потокссцеплошш, на основании которого определялись качалыще условия перед к.в.; аварийного ремка - трех-или двухфазное к.з. при различных начальны* услогиях и расстояниях от точ!31 огару.л до АЛ.

Исследования переходных процессов в системе врзьсда:-

лнсъ при следующих допукекезх. Все три фзш обыохо» статсрч ЛД г.рл-кинкются сглметрпчншл; потерями £ стали АД пренебрегаем; ¡.'с^лосгь ъисотиолмютй пахтпо.'; сс::п до участкового трансформатора бесконечно велика по сравнению с мощность» низковольтной сети; сопротивлениями шеогавольтной сот (г-'.Оеля до участкового трансформатора) :.~-;по пренебречь. _ Вшрямител. ПЧ представляется з виде ксточ:пкк кг,лрг.аг-кка с ЕДС Еа, разной среднему оПаченпе его пшраягешхго какряг-сли,.; Фильтр авена постолпкогс тс;:а ПЧ представляет ссСой последовательно соединенные сосредоточен!::^: активное сопротивление Я®. дроссель и параллельно вкличеипуза й;.. ексость Со- Вентаамше свойства Еь'пря-.,иге-ля отражается вг^очениеи одного идеального вентиля последовательно с дросселем ьтра; сопротивления первичной сети приведены к внутреннему сопротивлению гыпрямителя и фильтра. Инвертор ПЧ представляет собой идеальный вентт.льнвш коммутатор, обееяечиващкй ступенчатую (¡орну выходного трехфазного напряжения. Влияние системы управления ПЧ не учитывается.

При моделировании установившегося режима работы система ПЧ --УШКО АД использовались уравнения, .записанные в координатной системе Я, 0, неподвижной относительно статора АД с короткозамкнутьы ротором:

П1ь-в(1в)(Ев-ис1-Ко1Е)/и; Шй=(1в-1а)/С®;.

?. ( к Я N

^■собС— [П] + —) - + 1?кл)-1БС - Ьил-Э^«! ;

[)'t's<i -

3 6

Z f И К \

IiVsO - - ÍUd-sln(— СП] + —) - (Rs + - Ькл-DIsB} ; (1)

3 v 3 б '

t!V<= -Ipa-Rp-Pn-Wp-YpC; DYpB= - IPB •Rp+Pn-ap-Ypíí;

Oiop»EM-MC(wp)] / J; M=Spn(?s«-IsÜ-VsB-Isot)/2,

где £ Lkji/íLs-Lp-L,*') ; D - d/dt; Id-tok lía выходе выпрямителя; R®,

Ьф, С® - параметры звена постоянного TOica; Ud, Id - напряжение и ток в звене постоянного тиса; Isc(,Isß,Iprt,IP8 - проекции токов статора и ротора; проекции потокосцеплений статора и ротора;

Rs, Rp - активные сопротивления статора и ротора АД; Ls, Lp - полные индуктивности статора и ротора АД; Lm - индуктивность цепи намагничивания АД; wp - частота вращения ротора АД; рп-число пар полусон АД; J - суммарный момент инерции ротора двигателя и механизма. при веденный к ротору; Ккл. Uoi - активное сопротивление и индуктивность кабеля от ПЧ до захимов двигателя; Мс - момент сопротивления меха нивма.

Для имитации работы вентиля выпрямителя ПЧ используется функция

G(IB), принимающая следующие значения:

/ 1, при ID > о и Е3 > Ud; \ 8(1»)- ( v 0, при 13 < 0 и Ud > Ев. J

Проекции токоз /Щ па оси «из находятся по составляющим, ощ>-де:;яем:.'м через потокосцепления: ¡srt=Lp(7crt-U14fp.i)/L6; Ic3»LpO?s9-LA3)/L6; I Ipt!=La(7prt-U4'ca)/U»; IP2=L3(7Pö-LmYs8)/L6, J (Я)

где LC^L^-Lp-Ü .

При меделнрозопил учитывалась нелинейность магшпнсй цепи АЛ путем р."счета зсвксгеюсги Ln(7r<)2, полученной из универсальной сг-\ тичос.'соА кривой намагничивания АД.

Oue:uca достоверности математической модели свстсп ЛЧ-УКЖ АЛ путем сспостел-'иил ьеяояических характеристик и ссгдглограмм ф.и>ин< токов и !ппр;-;'::ш:л сист«:и ПЧ-УЕЧС-ЛД в пусковом и двигательном ре-ликах лги рз??зчзой нагрузке на валу АД и заданных энячгпиях частот на выходе ПЧ, полученных на модели и экспериментально для двигателя SKB-2,5-SÜ !'сглостью 30 кВт, показала, что точность молили составляет 5-7%.

Ил сог-яестгого решения уравнений (1)-(3) при начашшх услм и ях, опредемс-'ск частотой f на выходе ПЧ, напряжением 1!дд на вход«.-АД, нагрузкой на валу АД - Мс и параметр?»«! кабельной сети

Ro*L, Li-s - Ur-L, (где Ro и Lo соответственно ектнгное сопротнн«-ние и й;!'ду;'.П!Г.!1сст1. 1 im 1сабельной линии), собдт«!«'»?;*; (I» :: ■*•"». 1 ходклись составляющие потокосцеплений (У8, Ур), частота •:•!:.! {•••• тора АД (ир), а также ток выпрямителя (1В) и падение нгофд*» ни« .-. > емкости слльтра преобразователя ( ud)на момент времени, wik/.h--' •

(

тьенно перед наступлением режима трехфазного к.з.- t(Q_), соответствующие установившемуся режиму работы системы ПЧ-УШКС-АД: i's^CO-) .Ч^В (0_) Дрй(0_), ¥р0(О_), ыр (0_), 1В(0_), Ud(OJ. (4)

Напряжение и частота на выходе ПЧ связаны соотношением UAfl'/f=const для частот f от 2 до 50 Гц и 11дд = const для частот f>50 Гц.

При возникновении к.з. нарушается установившийся режим работы системы ПЧ-УШКС-АД. В месте возникновения к.з. появляется несимметрия напряжений и возникает переходный процесс. Схема замещения системы ПЧ-УШКС-АД для режиме! к.з. мевду ПЧ и АД имеет вид, показанный на рис. 1..

Используя систему уравнений (1) и полученную схему замещения, Ошш составлены уравнения, описывающие переходные процессы при к.з. в каосле между ПЧ и АД системы ПЧ-УШКС-АД:

- до точки несимметрии:

2 / К J, ' (

- {ud-cos(— m] + —)} = (l-WR^-Ijifli+d-kJL^-Dbtf+UjiOi; V (5)

3 v 3 6 > f

'¿I 71 if' N • '

- {ud-sin(— tn] + —) } = (1-к)Ркд-1лВ+(1-к)Ькл-01ла+илВ,

где Ij, - toi; в кабеле от ПЧ до точки несимметрии; 1)д - напряжение в точке несимметрии; к - отношение длины кабеля от АД до точки несимметрии к полной длине кабеля;

- поел, точки несимметрии:

ила^к-Ркл-Ьа+к-Ькл-ОЬй+иАдй; ид0 =k-R^• ¡дВ+к-Ькл -DI.nfl+U/uiB, (б)

где Uj, - напряжение после точки несимметрии; 1л- ток в кабеле, протекающий от точки несимметрии до зажимов АД; 1)дд- напряжение на замшах двигателя.

Уравнения, описывающие переходный процесс в обмотке статора электродвигателя:

D'i'sutls,<-Rs; UanB-Diyi+Isfl-Rs. (?)

В работе предложено оценивать режим работы АД по величине мгно-ьениой электромагнитной мощности, вторая в двухфазной системе координат «, ц имеет вид:

!',, -tsii • !s«< F.SB ■ 13В= (Usot- Is« - Rs) Is«+ (USB- ISB' Rs) Is»• (8)

Режим работы ПЧ предложено оценивать по направлению протекания

V Rv

&-j==J-

LS

La

Cr

Ф

Ud

и.

kRka KLM

(gb—o—-

М-УШло-АД при нарушении симметрии

I, • со : ! — in: - :- '-, ■üíüí— ríb . —'•. о ..

I . M '..Л if. ^ J, J • i ^ . ... ^ V .•> lyw i i J V .11 t / > ■'.Vrf- JU^ ^ik'i »' ' •'»

•píx ¡¿spei. г.- ч'ч.,; олу-

чйл рык,".;,; ну.:.о п:зг::;:.',;аз7с.": it ыто^лелгл fr. '.^r; г'

о;:.; стггс;*; czc:;rrx.;;t:;,rr ■ елл.

«a сзкс.зтъ i-.-ли -лхжл uuíi; до; ; vjjui. s .. с;

'J-.- Г; _ -. ; .

L ггзу.г-тсге coí.'.'irr .rrc, :,í..;¡v:,rr л:'.".' • Г''" ; i'.C ' "ü слпгь;:.. er.г.- г.-г;-..,. .:. ■■ • •■ ; -

' c-v: :;.г :< учггтке r; ol:-:*. .■.'../■y,v o >"- >• ■'-< 1

Г'ГТОГ'З r.

- г.о гс.тс'. трох^г ; :j

DI.-¡ci - I — i'u-coj;-- í»J : --J - (; -

¡ - ;; ;; >, f (il) - { — 'Sir:(— Ir.-! • —1 - (1 -

- У 3D - )

-пас.;.» гочк»; трехсазвого к. з. :

= IsttCR^+kR^J + CiLfnC-Ipcí• Rp-Рп• -Ур2)>/C+<iLp) ;

- Icj-H^-Pm-Cv-''¡jü; DTpC- - I,,;• • ...у,-<

o í

c(wp)]/J, ГДО

С >-чг;.-ом (S) итпог-сашая эйекгрет'гттш юность дктателя i» .'••íXi-ve 7pox-¿i3uoro к.Р.

Tc:î зь.'нс- псстсйи::с:'0 co¡ci ПЧ вря трэх£аоксы в- в FKK сп-г»?д^ллотсл no (6).

Иссодоьагшг злоктрз^атжгш-; Есро;хдз:и* г.роцесооь трехфазного

ч.о. ?. ЗСКС гсуг.ест!;лалось для частотно-рггулпрус-: ¡oro привода подачи ж; ¡ГЛгХУ с двигателем ¡пгки '¿.-3-2,5-20, "рео'ргзозателъной

ПО-1 ;; участком ипхтнел сети. ITÍ с ЛЛ, ыл:ол

игпнгч к^Зелзм улокй ГИЛ 7*lC^i-Л сечззием 10 ;?,г и длиной до 500 <. Пр.! :;ячагы;кэ значения (1) полетглзлл.'т'сь в урасчс--

ннн (U)-(iü) пол разл;г;кои удаленности точки зг„т.г.л!ш от «I. Уста-'.тсгшягскса pacora c;:otc:oj ЯЧ-У^С-АД з лвигател:л;::\; rcx:: !¡s ¡олслпро валясь при изменен;!,i натрут:;! залу АЛ о: -;с.'::сгсгэ с:.х.> до 1,2 Рнон и относительной частоты нааряженкя ка сичедэ ПЧ « -- f/f„CM от 0,1 -о 1,4 (1-т:лг,"':ая частота, f,ICM -нежняльчал частота сети, разная 50 Гц).

3 результате репен;*я уравнений (11)-(12) егю^делтлюь изменения do времени значении текез к.з. со стороны АЛ -i со стороны ПЧ -электромагнитного момента ?.i :i частот щ&дения ротора .»р .'Л.

Нрсуе того, осуществлялся контроль píw.ia р.хоты система ПЧ УГЛС-АЛ до и после к.з. по знаку мгновенного ьначегая электромагнит не:: ;;сл;ости Р8 и мгновенного значения тока Id в звене постоянного тела ПЧ с помогу» единичных Функций Т(РЭ) и F(Id) по формулам: 1 , при Рэ > 0; \

^ -i, при рэ < о; J ; 1 , при Id > О; >

Fi'bji- ¡ . f (1П)

^ -1, при Id < 0. )

R результате обработки оспиглогргки переходного пр.',.' coa ?í • t фа:::сг'0 к.з., полученных на модели, установлены завис:::::стп: otü'Vm а-.-.'*.-¡i."> yirp:nr. тсчов к.з. до и после тот-"! зэм'склнкп - toí.í к. п. i . jo егг.го'и о;с-чтро2ьиг£теля (рис.2,а), тот к.з. i.-, (р-<с.2,б) со сто;:С'"ь: [."¡: оч'чеедтзлыгого тормозного момента я (рис.2,'!, и длвтел>. ¡¡ост;: с,"'.-егг.ог.элкя генераторного режима í (рпс.2,г) от величины от иосйТ-ijíKC-;: Хчлсдгтой частоты ПЧ-с( при различной длине участка бельлой с.::,: от ЛЛ до точки аварии.

Устачослоаэ, что пики токов трехфазного к.з. ej всех Фазах со гтеь ДД-is, со стороны ПЧ-1л я тормозного момента электрпдпш а:-лл ;;Лувеличнвсттся с увеличением а в диапазоне частот от 0,1 до пр.! Фиксированной длине Ьк.э кабеля от АД до точки эамъпсанин умешлгепион LK. з от lf (Lt-полная длина кабельной линии, соедиг-иа^и ПЧ с АД) до нуля гозрастают броски тиса к.з. 1G со стороны АД ( i,;-, ле точки к.з.) и соответственно уменьшается броски тска к.з. 1Л с-,:

Результаты обработки осцшиюгр&мм режиме трехфазного к.з. в УШКС между ПЧ и АД

О 2 ОМ 0,6 аз /.О и

а) ■

0,2, ОА* О, Б 0,3 10 ^

5)

аг оч о.б од 1о 12 </ Рис 2. 9)

стороны ПЧ.

В диапазоне относительных частот а от 1,0 до и.- ■ ' • •

сювсенпе пиков ударных токов к.з. до (1л), после (1^) то . •:■-> якя и тормозного кшэнта (го ) за счет ослаблении уагкьгмл» • • 1 » АД, так :сек при « > 1 регулирование осуществляется при •'С-'^Х.

С уг-елмекче.л длим кабеля наблюдается узелпкйп с Л-' .кебом фиксированном значении относительной частоты <х, иродксстчу • режиму трехфазного к.з.

Изменение относительной частоты л, предсестьуипей ре-.;•••/•/ тртч Фазного к. з., влияет на величину X следующем образом. В дкйппл'т регулирования а от 0,1 до 0,4 и изменении расстояния 1.к.д ст М по точки замыкания от 0 до 0,5 Ь£ происходит увеличение х до ». ,'С1г,>.-- >ь-ного значения. В диапазоне регулирования а от 0,4 до 1,4 и ,

Цс.э ст 0 до 0,5 Ь£ наблюдается уменьшение х. Причина такого чг-и пения X заключается в характере изменения соотнесения мгаду поете-:! г-;-Г активным сопротивлением статора и остальными эквивалентны)!;! рр;::" нкми сопротивлениями двигателя при изменении частоты, что, в ет^ очередь, сказывается на изменении магнитного потогл. При Ц*. влияние активного сопротивления статора на поток двигателя кет. тельно из-за возросшего сопротивления кабеля.

Установлено, что в области низких частот (й<0,£) и при вс.чг, новении аварии непосредственно на зажимах АД (т.е. при максимам;:ой длине кабеля, соединявшего ПЧ и АД ) ток к.з. со стсрс-') ПЧ - 1., меньше номинального рабочего тока АД, что делает вовот.сж?"»! рриич-нение зацат от к.з., реагирующих на полный фазный тек в сегяч с переменной частотой и длинны),'.и кабельными сетями.

В результате моделирования подтверждена возможность , -V

ции работы 1Г; и ,д7 ■> рабочем режиме и пр- трехфазном к.з. в ¡:аб:,;е по анализу мгновенных значений электромагнитной г-ощносгл РР„ .V; л тока 1а, протекающего в звене постоянного тока ПЧ между инвертпгс( ч фильтром, или по сспоставлению длительности времени совпадения и совпадения знаков их мгновенных значений, используя единичные Су>'к-

ции Т(РЭ) и Г(1с1).

В качестве двухфазного к.з. рассмотрен случай, тогда гамикзл»-» произошло между фазами В и С. Этому режиму соответствуют следу;:^.--.-. граничные услови/ :

илс(=идс(; идО=илВ=0; 1л«=1дй . О ">)

В ¿'^ухь'Гс/:^ со:,мост ' го рел'ЧИ'л >р^-'-^ьь*;: (5)-(7) .<; (,:-)

»р^ытмк, сдоаоаазде переходный процоес кр« двух;аз;;о:.( . ' X и!,!',; У\ .. Ы5ЗДУ 114 п АД:

-.V. /'.гл'Х'^зпого у., в.:

0(Еу-ил-КЛ)/!*; Ша'^в-и)"1

/ i гс к • . f (iv)

- ■ -ч/с!-з1п(— Сиз + —о - (1 - к; -й«- 1ла}/с(1-к) -из;;

3 3 6 1 >

- пледе точки деухфазиого к.а.:

!

— и()'С031-

3 б

I

^ — ^•соз(-— СпЗ + —) - I Ккл) + /

+ ¡д-!.п-(- 1р-.< -1;:Р - }/ И + 41-Ьр): (

«-> ^

¡>«р-Ш-Мс(<.<р))^, где 4)■

Подставив начальные условия (16) в формулу (8), било получена выражение для электромагнитной мощности Р£ е рзишо дгг/^фч.'-'лого к. г.

Ра « (и«!а-1сссК3)-1г5«+(-1аВ-Кв)-1£-5. (10)

Мгновенное знзчоккз тока 1в> протекажего в анеие ¡¡•хзю.'лшого тока ПЧ в ре;,«с,о двухфаьного к.з., не изменяется и определяется из (3).

Моделирование режима двухфазного к. о. осущ^сгиллхооь путем 1,1У.Ч"|Чон»'Я значений (4) в уравнения (17)-(1С) ярд различной уммен-V.'. г.! т^ч.:.; с,.^ ¡и^лия от двигателя. Уста:!Оь::г<лэ'.с;; работа сгсто>:,ч ПЧ-У;..;о-ди Г, дь'.ч'ателыюм рмыые по ураыил'.пам (1)-(3) кжгзд&ьь-г'С« при иыечччпг. нагрузки на валу АД сх х.к. до 1,2 РНОм 11 этлсск-тольной частоты напряжения на выходе ПЧ а от 0,1 до 1,4. Б результате их решения определялись изменения во времени гзначзний токоп к.;, в закороченьих фазах со стороны АД - 12в и с0 стороны ПЧ -здрктромагнитного момента М и частоты вращение ир ротора о;:',:;тро;,Еи-гат^тл. Кроме того, определялся ток, протокадкй в " здороъои " фаае ( З-аза А ) - 1ла. Одновременно осуществлялся контроль рабош

с.сзтт! ИЧ-УШКС-АД (до и после к.з.) по •п'К'-Ъинаы-: значений

у.;С!'.тромагнитной мощь^сти АД - Рэ и тока 1сь т.ч-.'саюи'о ь звено постоянного тока ПЧ и между фильтром и пнве;;:-:;^! ;г пряг.еюш. с по-мг-яи.в единичных функций Т(Р8) и РС 1с1> по форму.-;.--' 11 .)» (16!.

-:;;„'-кг;:'--■"■ ' е voir -

е -...'л '. . .r.'.vc-.

!. or, - ' г - ' ■ -

- i 'I ' ' '.'.-.г; -ее . „-ееее'. ■ ........-е.-

^ _ "-"ne ''i'-CT'Ti ' ;jf;>"*7"~■с-.r:0 ov * до tv :"• :"¡ X Л1' - i-i-., л тер-сечего /cc.:?-:.

вг-.ос'.; с ••:.-;.,""4i:v~rÇ".! л г е.. j с. г: :т

еечтч ' : \ • \гч '■".Ci"1' лот то, -:;о ::р ? ■-;.'.■"-•

: -.егст' с у;'е::ЬЧ--'-ч„.-;'.1 '".ctct-j \ ......

Г-.ЧГ7.-'- "!.

¿' V' :c_-::-:?:-; eeree :ч ле;,:^ г ¡ ' _

гг. :-0"-: г. тпосчеел'лг':! гг.стоти т., "v17'" ' ..erv- " i о -

г,:- у; ' а- :'0!'0 j-i'.CK о о ;:"•■:-. L;<i;, от 0 до Г,."- ,*.■

н?:лс'Г'".'зэ ":,е:тч5:гн*; т "он леес i ф;чее:л.г;..::ччс ; .:;.--" :п ": че.-'ен'л чоедееетву:о:',еп дзух'чеонсг о :.?., "'о:fe eye -er:

злпеет -а ьелн'Г'ну т. 3 дчачасоее регул,« о г 0,1

расстояние L;ï,3 от АД до точки Еачуиелн.ч от 0 O.Ii i нрсз'схогнт увеличение t до '"еееегмллънего вначешп. 3 лиан'з^че p-írv-лировгп с: о? 0,2 до 1,4 н-еГ^.'оде-етсп ум^нюеике Г •'■•■■fpean ■

дхглн ке'ес;:я от .-Л до точот з. от 0 до 0,5 lt. ¿mm* >-;с сбъ-"еппегел стггенз"м магнитного пот«а ЛД иг-га падекет п.е.г>\'"'-")шл р-. актигнен сопротивлении статора ЛД.

JJ-î анализа эзцзлдогрзмч переходных врспгсосв еле дует- ~:еп с---.: дву^яел --о к. д., тал ?:е как и е^ехфагнего, з еест^ '"'Г-.-"- \„

могло уллте ео Факту перехода АД в гечероторле'; ::: : ■ .'4";:¡ . отдаче-', ггергии в >есто аварии и релшму оаОсты п», кегдч е - "a;'--. налрооееет зяерто. о место дпухфгяного к.s.

Устзясггено, что значения, ударных то:-;ов трех- :: дку-ui-rr^G • к.з. де ¡ееста азорчч (со стороны ПЧ) - 1лв, релечитолш;.? го eaep'-e

- / Г -

pr ■i-vr.b ¡'ci ты jöp.ii -I'KH

Д1 vxitasHoro К. 3. В Уи

л t

/ V \ V Л

s' 0 / / 1 \\ \

* / i 'V \ \\ X \

ys $ \

/ m 's' \ J\ ; \

/А '¿о Ф ss >

A ш M —X- - XX M £>

1

.л

UP,

4-â

50 SO JO О

SJJ-HH ъ ¿g;

5' / M /

à" А —х—Х. X. —W.P

/' //У Я' tí.

s. й \2Г

q3~ àv üß од /о y,â X 3)

аз GV c,ä Cß SD У, 2 -С CL)

S 2

Л, '' к?

' N 'Ц № к \£"

/Д-'Л Г \5J -o-^/Af

1

0.2 av о, a a,в з,о y s ^

_ з' з" 5

N'

;// fjt >

4 r~ 3, 3\b"-f--£OOH

к £ /

-1С

n z û,2 ¿V Об 0& S,D ¿3 oC h ue. J

тайному методу, включающему алгоритм и программы, оказались, в среднем на 152 меньше, чем токи к.з., полученные аналитическим методом.

На основе проведенных исследований был предложен новый способ защиты от к.з. УШКС, соединяющего ПЧ с АД (Л.С. СССР м№ 1427477, 1814138). Суть способа заключается в контроле направлений передачи энергии от ПЧ и АД в нормальном и аварийном режимах, при этом момент к.з. выявляется по фактам перехода АД в генераторный режим и работы ПЧ также с отдачей энергии в точку к.з. Предложено контролировать направление передачи энергии в ПЧ по мгновенному значен™ тока в звене постоянного тока ПЧ и направление передачи энергии в АД по мгновенной электромагнитной мощности электродвигателя. Были разработаны структурная и-принципиальная схемы защиты. Структурная схема защиты от к.з. сети с переменными частотой и напряжением представлена на рис.4.

Трехфазная сеть с переменными частотой и напряжением включает автоматический выключатель ОТ, преобразователь частоты ПЧ, содержащий управляемый выпрямитель УВ, ЬС - фильтр, инвертор И, участок шахтной кабельной сети УШКС, асинхронный электродвигатель с коротко-замкнутым ротором АД. Защита от к.з. включает блок определения направления электромагнитной мощности АД-БЭМ, датчик направления тока в ЗЕене постоянного тока ПЧ- ДНТ, реагирующий орган- РО и пусковой орган защиты ПО, который непосредственно воздействует на отключение автоматического выключателя ОТ.

РО содержит два формирователя прямоугольных импульсов (ФПИ1, ФГШ2), логический блок ЛБ, дискриминатор длительности импульсов ДДИ и одновибратор ОВ. «

Формирователи прямоугольных импульсов ФГО11 и ФПИ2 образуют в моменты перехода через нуль сигналов с выходов БЭМ ( сигнал XI) и ДНТ (сигнал Х2) однололярные прямоугольные импульсы и У2 согласно формулам:

Условие для определения времени несовпадения а налов У1 и У2

У2=

, 1 , если XI < 0;

-1, если XI > 0;

у 1 , если Х2 < 0;

^ -1, если Х2 > О

(21)

(20)

-П-

■и--

па Mo.. - г.опгчзсксго блс:<а ЛЗ згшжотся в i'.i"::

Y3-Y1 Y2 ,

где Y3 - с::гнлл ;:а гцхсде логического Сдска ЛЗ.

Лэг::ка га;'пты PU оап::апл&"сл в вгдо c.,e;iyvc',efr

Y4-Li'HYD3v>n)]n;;C2l , где R - vcvacra стеСатиггист VJ','., ссьрэтср заде г-.л\ т.

жда с;т-'г>ла Y4 за гр^нч ti, гостгю'ло д,т: дейсуз:;i ГС, : : • ' дкекстр-зтатсрсм длктодьпсс«! :s.iirvncoB ДЛИ, работа roverer- ca.;: "■'• етсл v оп^'знг". Ер'гннп пссодгадс.'гп ра'счпл г.^лул^сс« :"."■■, авлш;;п' вре.мвьсм -.'ставто Uct; Ki}- оператор c.wr*^' • '-с • '¡не счглала Y-1 па время t2, л^пелзченин сд::св::Сратс;"0'л CD.

3 глСого предлс;/.ели ::o:c,"!j расчета и ¡!.:.п;чки зле пиздьесл cy.Q)nJ гс-м, пезволла-'п исготсв:::^ л настроить fr. л ;„,v: "" боты с инс.О'л.'лися АД. Результаты зкспер:з(ентг,->;:1-.;;

Бс?! пек ссяи, '¡то при исступлен::'! рэг.гаа к.з. в ' г:.г.:...

блока чслпллется отрицательный сигнал, свидетельству*'"'.й о лер'-лол-АД в ггнерзтерпьй роязад ( состояние подпит:«! - отдача зпегтяч »vo то к.3.).

В рсЗоте предложено устройство для контроля г. cten-w-' п-ч к. з. в кабеле перед вксечеял«) ПЧ (A.C. СССР № 1742935) - у'--л г,:»!;..-.; . целостности кабельной линии (УКДКЯ), принщш работы глтгрего oc.v*-.. па кги^огин и <?лалпзе тска, создаваемого генератором В'тсчс.1 част': ты (ГВЧ) 15 протека-сого через входное сопротивление слоте» üj ЯЯС-АД Составлены структурпгл и принципиальная cxe>"J устройства. УКЯКЛ разрешает г,х'кчен::е автоматического выключателя QF (сигнал Y5, рпо.4) при отсутствии к.з. в кабельной линии и АД. .о

Разработана методика расчета параметров УКЦКЛ и пплу"«га формула для определения рабочей частоты ГВЧ, нееб.-.одк.чо--; для ц,тч„".гсЯ боты устройства

Установлено, что при контроле целостности кабельных линий ной от 50 до 500 V существует оптимальная частота ГЕЧ.разгат 13СО Г Сопоставление зависимостей ударного тога АД при :. з. в к&*к\ незду ПЧ и АД от частоты на выходе ПЧ при различных пгра'-етра». к-

бельной сети, полученных экспериментальным путем, с расчетными зависимостями, полученными путем моделирования, показали, что их расхождение не превышает 107. при доверительной вероятности 0.9.

При возникновении режима к.з. в участке кабельной шахтной сети, соединяющей ПЧ с АД, защита обеспечивала отключение преобразователя от сети за время, равное 0,15 с.

Экспериментальные исследования, промышленные испытания и эксплуатация разработанной защиты в составе ЧРЭД комбайна КШ1КГУЭ на иахте 16-я Липковская АО "Тулауголь" подтвердили ее работоспособность и соответствие требованиям эксплуатации в шахтных условиях, правильность предложенного способа обнаружения режима к.з. в УШКО, принятых структур и принципиальных схемных решений.

Разработанная защита принята в рабочем проекте ЧРЭД комбайна К10ПМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки защиты от аварийных режимов шахтной электрической сети с переменной частотой и напряжением до 1000 В, обеспечивающей повышение безопасности и надежности эксплуатации электромеханических систем с частотно-регулируемым электропр.шодом.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований были получены следующие результаты и выводы:

1. Математическая модель для исследования переходных процессов при трехфазном и двухфазном коротком замыкании в участке кабельной шахтной сети с переменными частотой и напряжением между ПЧ и АД отличается учетом нелинейности магнитной цепи АД, параметров первичной сети до преобразователя и кабельной линии между АД и ПЧ, параметров ПЧ, ступенчатого характера изменения напряжения на выходе ПЧ.

2. Значения ударных аварийных токов до и после точки к.з. в кабельной линии, соединяющей ПЧ с АД , тормозного момента АД с увеличением рабочей частоты ПЧ, предшествующей режиму к.з., увеличиваются в диапазоне относительных частот ПЧ от 0,1 до 1,0 и уменьшаются в диапазоне относительных частот ПЧ от 1,0 до 1,4.

3. С уменьшением длины кабельной линии от АД до места аварии возрастают значения ударных .токов к.з. со стороны АД, тормозного момента двигателя и уменьшаются значения ударного тога к.з. со стороны т.

- 2Q -

4. Длитэлыюсть существования генераторного режима у ЛД • двухфазной к.з. в 1,8 раза ниже, чем при трехфазном к.з.

5. Сопостаплеиае зависимостей ударного тока АД при к.з. в набело между ПЧ и АД от частоты на выходе ПЧ при различных п.?работок-кзЗ&шггй сети, полученных экспериментальным путем, с расчетными ;>е-висимостями, полученными путем моделирования, показали, что их расхождение не превышает 10Х гри доверительной вероятности 0.9.

6. Предложены методы расчета переходных процессов трех-н двухфазного к.з. в кабельной сети между ПЧ и АД с помощью математической модели и комплекса алгоритмов и программ, позволяющие более точно рассчитать токи к.з., электромагнитный момент и время существования генераторного режима АД, которые могут быть использованы в проектных организациях.

7. Предложенный ноеый способ обнаружения к.з. в кабельной сети между ПЧ и АД, имеющий отечественный приоритет (A.C. СССР »№ 1427477, 1814138), отличается тем, что контролируются потоки энергии в ПЧ и ЛД в нормальном и аварийном режимах, и режим к.з. в кабельной сети определяется по факту перехода АД в генераторный режим и передачи энергии ПЧ также в место к.з.

8. Предложенный новый способ контроля целостности кабельной линии перед подключением ПЧ, имеющий отечественный приоритет ( A.C. СССР № 1742935), отличается тем, что с цель» обеспечения надежной работы в частотно-регулируемом электроприводе горных малин, непосредственно перед включением тиристорного ПЧ осуществляется измерение входного сопротивления кабельной линии на высокой частоте.

9. Методы расчета разработанных устройств определения знака электромагнитной мощности асинхронного электродвигателя (А. С.'СсСР

1427477), узла контроля целостности ка.ельной линии (А. С. СССР № 17429G6) позволяют определить структуру и параметры данных устройств с заданными точностью и быстродействием.

10. Основные результаты и положения диссертационной работы использованы при разработке рабочих проектов экспериментальных образцов очистши комбайнов КПП КРУ и К1 ПМ с частотно-регулируемым электроприводом механизма подачи.

И. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения защиты от к.з. шахтной участковой сети с переменной частотой и напряжением до 1000 В в составе частотно-регулируемого электропривода очистного комбайна КШКГУЭ составляет 19,3 млн.руб. в ценах июня 1995 г.

Основные положения диссертации публикованы в следующих работах:

1. Шпрехер Д.М. Исследование защиты от коротких замыканий в сети с преобразователем частоты. М., 1987.- Деп. в ВИНИТИ, № 5.

2. Щуцкий В.И., Бабокин Г.И., Шпрехер д.м. Зона действия защиты от коротких замыканий в сети с преобразователем частоты // Изв. вузов. Горный куриал. - 1988.- № 6.- С. 95-98.

3. Бабокин Г.И., Шпрехер Д.М. Разработка устройства защиты от тотов короткого замыкания в сети с переменной частотой // Охрана труда в цветной металлургии. - Челябинск, 1990. С. 31-32.

■1. Щуцкий В.И., Шпрехер Д.М. Разработка защиты от аварийных режимов для шахтных электрических сетей с переменной частотой напряжением до 1000 В // Электро и пожаробезопасность при эксплуатации электроустановок.- Душанбе, 1990. С.77-78.

5. Щущош В.И., Бабокин Г.И., Шпрехер Д.М. Синтез структурной схемы устройства защиты от коротких замыканий в сети с преобразователем частоты // Контроль изоляции в распределительных сетях.- Челябинск, 1992. С. 18-19.

6. Щуцкий В.И., Бабокин Г.И., Шпрехер Д.М. Защита от коротких вак1и;ашй для~пахтных электрических сетей с переменной частотой // Совершенствование конструкции, технологии изготовления и эксплуатации горного оборудования и средств автоматизации.- М.: 1992. С. 292-29-1.

7. Система ваяшт участковой шахтной сети с частотно-регулируемы» электроприводом / ВЛГ. Щуцкий , Г.И. Бабокин, В.Г. Куницкий, Д.М. Шпрехер, А.И. Лазарев // Автоматическое управление энергообъек-т&ми ограниченной мощности.- Санкт-Петербург, 1992. С.47.

8. Щуцкий В.И., Бабокин Г.И., Шпрехер Д.М. Исследование трехфазного короткого замыкания в участке кабельной сети между преобразователем частоты и асинхронным двигателем // Изв. вузов. Горный кур нал,- 1993,- №12.

9. Шпре ор Д.М; Исследование параметров двухфазного короткого вз;.',икания в кабельной-сети между преобразователем частоты л асинхронным двигателем // Проблема шгйглзния надежности, уровня бевава-р;г,!:гастн эксплуатации электротехнических и электромеханических систем. комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий.-М. : \993. 0.27.

10. Л. С. 1427477 СССР, МКИ3 II 02 И 7/26. Трехфазная автономная сеть с запитой / Г.И. Бабокин, В.И. Щуцкий, 7.М. Шпрехер (СССР). -

2 С.: ил.

11. A.C. 1742936 СССР, МКИ3 Н 02 Н 7/26. Трехфззигс сэтс«.*.- :ы сеть с защитен / Г.И. Вабокин, В.И. Щуцкий, Е.Б, Ксссс:;п-о>в, ;.:.!. Шлрехер (СССР). - 4с.: ил.

12. A.C. 1814138 СССР, МКИ3 Н 02 II 7/26. Трехфаэвсч кчтонс-.ч*» сеть с защитой / Д.М. Шпрехер, Г.И. Бабоккн, В.И. Цудкнл, (СССР).

3 с.: ил.

Подписано в не:, И .11.1995 г. 1>огь,аг 60x90/16

Объём I печ.л. Тираж 100 Э1 . Заказ 'Л/'у'/э

Типография Московского государственного горного университета. Ленинский проспект, 6

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ. ^

1.1. Обзорный анализ принципов и устройств защит от коротких замыканий в сети с промышленной частотой. ^

1.1.1. Применение максимальных токовых защит. ^

1.1.2. Применение фильтровых токовых защит.if

1.1.3. Применение фазочувствительных защит.

1.2. Анализ возможности применения защит различного типа от коротких замыканий-.Вдсети с переменной частотой. ^

1.2.1. Применение максимально-токовой защиты, реагирующей на установившееся значения тока к.з. (защита УМЗ).

1.2.2. Применение защиты, реагирующей на производную тока по времени.^

1.2.3. Применение фильтровой токовой и фазочувствительной защит.5?

1.3. Обзорный анализ специальных методов и устройств защит от коротких замыканий в сетях с преобразователями частоты.

1.4. Анализ исследований переходных процессов при коротких замыканиях в сетях с переменными частотой и напряжением.^

1.5. Обоснование и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ В УЧАСТКЕ СЕТИ С ПЕРЕМЕННЫМИ ЧАСТОТОЙ И НАПРЯЖЕНИЕМ.^

2.1. Математическая модель системы " преобразователь частоты - участок шахтной кабельной сети - асинхронный двигатель. ^

2.1.1. Математическая модель асинхронного электродвигателя.^

2.1.2. Математическая модель системы " преобразователь частоты - участок шахтной кабельной сети с переменными частотой и напряжением"

2.1.3. Оценка достоверности модели.6.

2.2. Математическая модель системы преобразователь частоты - участок шахтной кабельной сети - асинхронный двигатель при коротком замыкании. ^

2.3. Исследование переходных процессов при трехфазном коротком замыкании в сети между преобразователем частоты и асинхронным электродвигателем. ??

2.4. Исследование переходных процессов при двухфазном коротком замыкании в сети между преобразователем частоты и асинхронным электродвигателем.

2.5. Выводы.{&>

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ОСНОВНЫХ УЗЛОВ ЗАЩИТЫ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ В СЕТИ С ПЕРЕМЕННЫМИ ЧАСТОТОЙ И НАПРЯЖЕНИЕМ.№{

3.1. Разработка структурной схемы и алгоритма работы защиты

3.2. Разработка и исследование блока определения знака электромагнитной мощности асинхронного электродвигателя.t^

3.2.1. Разработка структурной и принципиальной схем блока определения знака электромагнитной мощности./^

3.2.2. Экспериментальные исследования блока электромагнитной мощности и рекомендации по его настройке

3.3. Разработка и экспериментальные исследования датчика направления тока.

3.3.1. Выбор структуры датчика. t£

3.3.2. Экспериментальные исследования ДНТ.

3.4. Разработка пускового органа защиты. ^

3.5. Разработка и исследование параметров узла контроля целостности кабельной линии.

3.5.1. Разработка структурной и принципиальной схем узла.

3.5.2. Метод расчета параметров узла контроля целостности кабельной линии.^

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ЗАЩИТЫ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ С ПЕРЕМЕННЫМИ ЧАСТОТОЙ И НАПРЯЖЕНИЕМ.

4.1. Методика экспериментальных исследований.

4.2. Результаты экспериментальных исследований защиты от аварийных режимов в лабораторных условиях.

4.3. Внедрение защиты от аварийных режимов в частотно-регулируемом электроприводе комбайна КШ1КГУ

4.4. Внедрение защиты от аварийных режимов в частотно-регулируемом электроприводе комбайна К10ПМ.

4.5. Выводы.22С

Актуальность работы. Развитие топливно-энергетического комплекса страны требует совершенствования горных машин в направлении повышения их эффективности за счет повышения производительности и надежности. Основной горной машиной, которая в значительной мере определяет производительность труда на угольных шахтах, является очистной комбайн, который осуществляет отбойку и погрузку угля на конвейер в комплексно-механизированной лаве. Производительность и надежность очистных комбайнов (ОК), в свою очередь, в значительной мере определяется типом и мощностью привода. Основными тенденциями развития отечественного привода ОК последних лет являлось увеличение установленной мощности нерегулируемого асинхронного электропривода резания, которая достигла в настоящее время 400-600 кВт, и переход с регулируемого гидравлического привода механизма подачи на регулируемый электрический привод системы "управляемый тиристорный выпрямитель -двигатель постоянного тока" (УВ-ДПТ) или " преобразователь частоты -асинхронный электродвигатель" (ПЧ-АД).

Наиболее целесообразно для привода механизма подачи применение системы ПЧ-АД. Основное преимущество системы ПЧ-АД заключается в применении надежного, дешевого, работоспособного в тяжелых условиях и неприхотливого в эксплуатации асинхронного электродвигателя с ко-роткозамкнутым ротором. При этом современный уровень развития силовой преобразовательной техники обеспечивает высокую надежность преобразователя частоты.

Применение системы ПЧ-АД в приводе механизма подачи ОК приводит к появлению в шахтной кабельной сети между ПЧ и АД участка с переf менными частотой и напряжением, изменяющимися в широких пределах. Другая особенность участка сети с переменной частотой - ступенчатый характер изменения напряжения на выходе ПЧ, первая гармоника которого изменяется пропорционально его частоте.

Токи короткого замыкания (к.з.) в участке сети с переменными частотой и напряжением на низких частотах ПЧ, равных 5-10 Гц, могут быть меньше токов нагрузки АД при частотах более 15 Гц. В этом случае максимально-токовая защита сети с переменной частотой имеет малую зону действия, которая не превышает 50-60 м. В применяемых на практике системах ПЧ-АД горных машин сеть может иметь длину до 500 м.

Поэтому разработка защиты от аварийных режимов шахтной электрической сети с переменной частотой напряжением до 1000 В является актуальной научной задачей.

Актуальность настоящей работы подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с Целевой комплексной программой Ц601148 Минуглепрома СССР (1986-1992 гг) и Отраслевой научно-технической программой Минтопэнерго России " Уголь России", Проект № 0-12 "Создать новое электрооборудование и системы электроснабжения для шахт на базе современных средств коммутации и взрывозащиты, обеспечивающих повышение энерговооруженности и управляемости горных машин и рационального использования электроэнергии" (1993-1994 гг).

Целью работы является установление закономерностей протекания рабочих и аварийных режимов в системе " преобразователь часто-ты-участок шахтной кабельной сети-асинхронный электродвигатель" (ПЧ-УШКС-АД) для разработки средств защиты от коротких замыканий участка кабельной сети между ПЧ и АД, обеспечивающих повышение безопасности и надежности эксплуатации систем с частотно-регулируемым электроприводом.

Идея работы заключается в том, что выявить аварийный режим трех - и двухфазного замыкания в кабельной сети между ПЧ и АД возможно путем контроля направлений передачи электрической энергии в ПЧ и АД в рабочих и аварийных режимах путем сопоставления длительностей положительных и отрицательных полуволн мгновенных значений тока в звене постоянного тока ПЧ и электромагнитной мощности на зажимах АД.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Математическая модель системы ПЧ-УШКС-АД в режиме трех-и двухфазного к.з. на участке кабельной сети, отличающаяся учетом ступенчатой формы напряжения на выходе ПЧ, нелинейности магнитной цепи АД, параметров кабельной линии, выпрямителя и инвертора ПЧ.

2. Способ защиты от к.з. в кабельной сети с переменными частотой и напряжением, новизна которого заключается в том, что контролируются потоки энергии в ПЧ и АД в нормальном и аварийном режимах, а режим к.з. в кабельной сети определяется по фактам перехода АД в генераторный режим подпитки места к.з. и передачи энергии ПЧ также в место к.з.

3. Зависимости ударного тока до и после точки к.з. в кабельной сети между ПЧ и АД, момента АД, времени существования генераторного режима АД от частоты на выходе ПЧ и расстояния от АД до точки замыкания, позволяющие дать количественный анализ аварийного режима.

4. Методы расчета переходных процессов трех-и двухфазного к.з. в кабельной сети между ПЧ и АД с помощью математической модели и комплекса алгоритмов и программ, позволяющие более точно рассчитать ударные токи до и после точки аварии, которые могут использоваться в проектных организациях.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным использованием положений теории я электромагнитных переходных процессов в электрических машинах, математического моделирования, апробированных методов измерений электрических параметров; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение результатов не превышает 10% при доверительной вероятности 0,9); положительными результатами стендовых и промышленных испытаний.

Значение работы. Научное значение работы заключается в разработке математической модели процесса трех- и двухфазного к.з. в ка бельной сети системы ПЧ-УШКС-АД с учетом ступенчатой формы питающего напряжения ПЧ, нелинейности магнитной цепи АД, параметров кабельной линии, выпрямителя и инвертора ПЧ; установлении зависимостей ударных токов до и после точки к.з., момента АД и времени существования генераторного режима АД от частоты на выходе ПЧ и расстояния от АД до точки замыкания; обосновании нового способа построения защиты от к.з., основанного на дифференциальном контроле направления потоков энергии в ПЧ и АД, что является вкладом в теорию переходных процессов в трехфазных сетях с переменными частотой и напряжением.

Практическое значение работы заключается в определении количественных характеристик системы в режимах трех- и двухфазного к.з. в кабельной сети между ПЧ и АД; разработке структурной схемы, способа и алгоритма функционирования и принципиальных схем защиты от аварийных режимов в кабельной линии системы ПЧ-УШКС-АД; разработке способа контроля целостности кабельной линии перед подключением к ней ПЧ; разработке методов расчета параметров устройств определения знака электромагнитной мощности и контроля целостности кабельной линии; разработке методов расчета переходных процессов трех- и двухфазного к.з. в кабельной сети между ПЧ и АД с помощью математической модели и комплекса алгоритмов и программ с учетом ступенчатой формы напряже ю ния на выходе ПЧ, нелинейностей АД, параметров кабельной линии и ПЧ.

Реализация выводов и рекомендаций работы. На основе технических решений и рекомендаций, изложенных в диссертации, разработана защита от к.з. в кабеле между ПЧ и АД, которая применена в экспериментальном образце частотно регулируемого асинхронного электропривода (ЧРЭП) механизма подачи комбайна КШ1КГУ f испытанном в условиях шахты 16-ая Липковская АО "Тулауголь". Скорректированная по результатам испытаний защита от к.з. в кабельной линии между ПЧ и АД принята в рабочем проекте частотно-регулируемого электропривода механизма подачи комбайна К10ПМ.

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения защиты от к.з. шахтной участковой сети с переменной частотой и напряжением до 1000 В в составе частотно-регулируемого электропривода очистного комбайна КШ1КГУ составляет 19,3 млн.руб. в ценах июня 1995 г.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-практической конференции "Охрана труда в цветной металлургии" (Челябинск, 1990), Всесоюзной научно-практической конференции "Электро-и пожаробезопасность при эксплуатации электроустановок" (Душанбе, 1990), научно-практической конференции "Контроль изоляции в распределительных сетях" (Челябинск, 1992), Международной межвузовской научно-практической конференции "Совершенствование конструкции, технологии изготовления и эксплуатации горного оборудования и средств автоматизации" (Москва, 1992), 2-ом Международном симпозиуме "Автоматическое управление энергообъектами ограниченной мощности" (Санкт-Петербург, 1992), научно-практическом семинаре с международным участием "Проблема повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических и электромеханических систем, комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий"

Москва,1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано /2 печатных работ, в том числе 3 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 137 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 14 таблиц, список использованных источников из 76 наименований и 2 приложения.

10. Основные результаты и положения диссертационной работы использованы при разработке рабочих проектов экспериментальных образцов очистных комбайнов КШ1КГУ и К10ПМ с частотно-регулируемым электроприводом механизма подачи.

11. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения защиты от к.з. шахтной участковой сети с переменной частотой и напряжением до 1000 В в составе частотно-регулируемого электропривода очистного комбайна КШ1КГУ составляет 19,3 млн.руб. в ценах июня 1995 г.

1. Автономные инверторы с отделенными от нагрузки конденсаторами. Ситник Н.Х., Некрасов Л.Т., Веркович Е.И., Ягупов С.М. - М.: Энергия, 1968.

2. Аранчий Г.В., Жемеров Г.Г., Эпштейн И.И. Тиристорные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов.- М.: Энергия, 1968.

3. Бабокин Г.И., Шпрехер Д.М. Разработка устройства защиты от токов короткого замыкания в сети с переменной частотой. Тезисы докл. научно-практической конференции "Охрана труда в цветной металлургии", Челябинск, 1990, с. 31-32.

4. Болдырев В.И., Светличный П.Л., Гордиенко Ю.Д. Защита шахтных низковольтных сетей от токов короткого замыкания. - М.: Недра, 1974.

5. Бочаров Ю.И., Будченко М.И., Хамков Н.К. К анализу на АВМ частотно-регулируемого асинхронного электропривода. - Р.Ж. Электротехника, 1982, вып. 88, 7К88.

6. Бурков А.Т., Гусевский Ю.И. Анализ предаварийных состояний в тяговом автономном инверторе напряжения методом двух составляющих . -Р.Ж. Электротехника, 1986, вып. 4, 4Л77.

7. Бурков А.Т. Система защиты преобразователей частоты магистрального тепловоза с асинхронными электродвигателями.- Р.Ж. Электротехника, 1986, вып. 4, 4Л76.

8. Ващенко А.П., Вольнов Н.А., Шиленков В.А. Токи, магнитные потоки и напряжения в системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель. Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок. М.: Энергоатомиздат, 1983.

9. Волощенко Н.И. Задачи электрификации угольной промышленности. Промышленная энергетика, 1977, № 8, с. 4 - б.

10. Гимоян Г.Г. Новая токовая защита трехфазных электродвигателей.- М.: Углетехиздат, 1958.

11. Гимоян Г.Г. Релейная защита горных электроустановок. - М.: Недра, 1972.

12. Гимоян Г.Г. Релейная защита горных электроустановок, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1978.

13. Гимоян Г.Г., Лейбов P.M. Релейная защита подземного электрооборудования и сетей. М.: Недра, 1977.

14. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1988.

15. Горошков Б.И. Элементы радио-электронных устройств. М.5 Радио и связь, 1988.

16. Дорогунцев В.Д. Элементы устройств автоматики энергосистем. М., Энергия, 1970.

17. Задорина Н.А., Литовченко В.В., Радионов Н.И. Расчет аварийных режимов в преобразователях частоты электровоза с асинхронными тяговыми двигателями.- Электротехническая промышленность, сер. Преобразовательная техника, 1981, вып. б (134).

18. Заика Э.И., Сакара Ю.Д. Улучшение качества переходного процесса при частотном ограничении токов короткого замыкания.- Р.Ж. Электротехника, 1982, вып.9, 9Ю46.

19. Захаров М.Ф. Тормозной режим при трехфазном коротком замыкании асинхронных короткозамкнутых двигателей небольшой мощности. -Изв. вузов. Энергетика, 1960, № 3.

20. Казовский Е.Я. Переходные режимы в асинхронной машине при включениях и коротких замыканиях.- Электричество, 1947, № 6.

1 п v

21. Кашицин Г.Е. Разработка требований безопасности к средствам защиты и норм безопасной эксплуатации горных машин и механизмов с тиристорным электроприводом.- Сборник рефератов НИР и ОКР, Б977517, 1982.

22. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока.- Л:, ГЭИ, 1963.

23. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин.- М:, Высшая школа, 1987.

24. Кочкарев Ю.А. Об использовании фазочувствительных схем защиты низковольтных кабельных сетей от металлических и дуговых коротких замыканий. В кн." Горная электротехника и автоматика Киев, 1967, № 8.

25. Красильников Н.Т., Петриченко В.Ф., Риман Я.С. О зоне действия защит, реагирующих на производные тока по времени.- Сб. Взрыво-безопасное электрооборудование.- М:, Энергия, 1971.

26. Лайон В. Анализ переходных процессов в электрических машинах переменного тока методом симметричных составляющих.- М.-Л:, Го-сэнегоиздат, 1958.

27. Леоненко С.С. Частотно-регулируемый электропривод горно-обогатительных предприятий.- Иркутск, Иркутский университет, 1988, с. 50-55.

28. Маркус Г.О., Мустафин Е.С. Исследование на ЭЦВМ динамики частотно-управляемого электропривода дымососа за металлургическими агрегатами.- Р.Ж. Электротехника, 1980, вып. 4, 4К124.

29. Могильников B.C. Максимум энергии, отдаваемый асинхронным двигателем при подпитке сети.- Электричество, 1958, N°12.

30. Пат. 555478 (СССР). Устройство для защиты от тока короткого замыкания в трехфазной сети. Авт. изобрет. Коваленко И.И., Ольховик

Н.П., Ширина В.И. - заявл. 23.04.75. (2131099/07), опубл.В.И., 1977,

31. Пат. 1427477 (СССР) . Трехфазная автономная сеть с защитой. Авт. изобретен. Бабокин Г.И., ЩуцкийВ.И., Шпрехер Д.М. - Заявл. 24.12.86 (4166868/24-07), опубл.Б.И. 1988, № 36.

32. Пат. 1173486 (СССР) . Устройство для защиты от короткого замыкания трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью и электродвигателем. Авт. изобретен. Кузнецов Р.С. - Заявл. 11.07.83 (3619893/24-07), опубл.Б.И. 1985, № 30.

33. Пат. 1742936 (СССР) . Трехфазная автономная сеть с защитой. Авт. изобретен. Бабокин Г.И., Щуцкий В.И., Колесников Е.Б., Шпрехер Д.М. - Заявл. 26.02.90 (4794906/07), опубл.Б.И. 1992, № 23.

34. Пат. 1814138 (СССР) . Трехфазная автономная сеть с защитой. Авт. изобретен. Шпрехер Д.М., Бабокин Г.И., ЩуцкийВ.И.- Заявл. 22.04.91 (4929922/07), опубл.Б.И. 1993, № 17.

35. Паперно Л.Б. Полупроводниковая защита трехфазных электроустановок. Рига, ЛатИНТИ, 1976.

36. Петров П.П. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей.- М:, Энергоиздат, 1981.

37. Петров И.И., Мейстель A.M. Специальные режимы работы асинхронного электропривода.- М:, Энергия, 1968.

38. Подземное электрооборудование за рубежом. Под общей редакцией Лейбова Р. М. Углетехиздат, М:, 1959.

39. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах.- М:, Недра, 1973.

40. Правила технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт.- М:, Недра, 1976.

41. Правила устройства электроустановок.- М:, Энергия, 1965.

42. Пуск частотно-регулируемого асинхронного электропривода при различных состояниях силового фильтра статического преобразователя.-Аршинский В.М., Иоффе В.М., Леоненко С.С., Шемякин В.И. - Изв. вузов Горный журнал, 1976, № 9.

43. Риман Я.С. Исследование и разработка максимальной токовой защиты шахтных участковых сетей. Дисс. на соискан. уч. степен. канд. техн. наук. Донецк, 1965.

44. Риман Я.С. Защита подземных электрических установок угольных шахт.- М:, Недра, 1977.

45. Риман Я.С. Рудничные взрывобезопасные автоматические выключатели серии АВ. - Электротехническая промышленность, сер. АНН, 1978 № 3 (70), с 14 - 16.

46. Риман Я. С. Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания.- М:, Недра, 1985.

47. Савченко С.П. Влияние процессов внутреннего короткого замыкания на токовую перегрузку преобразователя.- Электротехническая промышленность, сер. Преобразовательная техника, 1982, вып. 2 (139).

48. Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями.- М:, Энергия, 1974.

49. Система защит участковой шахтной сети с частотно-регулируемым электроприводом. - Щуцкий В.И., Бабокин Г.И., Куницкий В.И., Шпрехер Д.М., Лазарев А.И. Тезисы докл. 2-ого Международного симпозиума "Автоматическое управление энергообъектами ограниченной мощности". Санкт- Петербург, 1992, с.47.

50. Сопель В.В., Литвинов А.Е. К определению параметров асинхронного электродвигателя по результатам испытаний.- Горная электромеханика и автоматика.- Киев, N°47, 1985.

51. Справочник по наладке электрооборудования промышленных предприятий. Под редакцией Земенкова М.Г., Розенберга Г.В., Феськова

2 <> i

E.M. - M:, Энергоатомиздат, 1983.

52. Технические требования к рудничному взрывозащищенному электрооборудованию с силовыми полупроводниковыми приборами напряжением до 1140 В., ВОСТНИИ, Кемерово, 1988.

53. Темкина Р.В. Измерительные органы релейной защиты на интегральных микросхемах.- М:, Энергоатомиздат, 1985.

54. Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре.- М:, Радио и связь, 1982.

55. Шпрехер Д.М. Исследование защиты от коротких замыканий в сети с преобразователем частоты. Депонир. в ВИНИТИ, № 5, 1987.

56. Шпрехер Д.М. Исследование параметров двухфазного короткого замыкания в кабельной сети между преобразователем частоты и асинхронным двигателем. Тезисы докл. научно-практического семинара с международным участием "Проблема повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических и электромеханических систем, комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий"., М.,1993, с.27.

57. Шубенко В.А. Торможение отключенного от сети асинхронного двигателя трехфазным коротким замыканием статорной обмотки при неза-тухшем магнитном поле.- В кн. Труды УПИ, сб. 106.- Свердловск, 1960.

58. Щуцкий В.И., Бабокин Г.И., Шпрехер Д.М. Зона действия защиты от коротких замыканий в сети с преобразователем частоты. Изв. вузов. Горный журнал, № 6, 1988, С 3^-93,

59. Щуцкий В.И., Шпрехер Д.М. Разработка защиты от аварийных режимов для шахтных электрических сетей с переменной частотой, напряжением до 1000 В. Тезисы докл. Всесоюзн. научно-практической конференции "Электро и пожаробезопасность при эксплуатации электроустановок"., Душанбе, 1990, с.77-78.

60. Щуцкий В.И., Бабокин Г.И., Шпрехер Д.М. Синтез структурной схемы устройства защиты от коротких замыканий в сети с преобразователем частоты. Тезисы докл. научно-практической конференции "Контроль изоляции в распределительных сетях"., Челябинск, 1992, с. 18-19.

61. Щуцкий В.И., Бабокин Г.И., Шпрехер Д.М. Защита от коротких замыканий для шахтных электрических сетей с переменной частотой. Тезисы докл. международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и инженеров. "Совершенствование конструкции, технологии изготовления и эксплуатации горного оборудования и средств автоматизации"., М., 1992, 292-294.

62. Щуцкий В.И., Бабокин Г.И., Шпрехер Д.М. Исследование трехфазного короткого замыкания в участке кабельной сети между преобразователем частоты и асинхронным двигателем. Изв. вузов. Горный журнал N°12, 1993.

63. Фабрикант В.Л. Основы теории построения измерительных органов релейной защиты.- М:, Высшая школы, 1968.

64. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем.- М:, Энергия 1976.

65. Фролкин В.Г. Быстродействующая защита шахтных участковых сетей. - М:, Недра, 1986.

66. Чувствительный орган для определения короткого замыкания в регулируемых трехфазных двигателях и их подводящих линиях. ЕПВ (ЕР), заявка № 0183108, И.С.М. № 4, 1987.

67. Электропривод ЭКТ2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ИАВК. 655427. 001ТО.

68. Bendl J., Schreier L. "Nesoumerne stavy soumerneho trojfazoveho asynchronniho stroje napajeneho z menice kmitoctu".Electro-technicky obzor, 73, 1984.

69. Bendl J., Schreier L. "Existence of unsyiranetrical states in some working regimes of symmetrical three-phase induction machines fed from voltage frequency-converter" 21th. Conf. Electr. Mach. Des. and Appl. 17-19 Sept.,1985, pp. 163-167.

70. Gokul P, Sharaf A.M. "Computer digital simulation of variable-speed induction motor drives under fault conditions." Int. Conf. Evol. and Mod. Aspects Induct. March Turin, July 8-11, 1986, Proc.

71. Khuwatsamrit Т., Richard Smith "Chopper VVVF inverter ground fault analysis." IEEE-IAS (Ind. Apl. Soc.) 19th. Annu. Meet., Chicago,111., 30 Sept.,1984, pp. 642-648.

72. Krzysztov Pienkowski. "Analysis of the rotor field in high power induction motors after disconnection". Modelling, Simulation & Control, A, Vol. 11, No 1, 1987, pp. 49-62.

73. Lord H., Pearson F.K. "Digital phase sensitive short circuit fault protection of coal face electrical systems." 20 Int. Conf. Safety Mines Res. Inst. Summ. London, s.a., 78.

74. McMurray, W., "Hybryd simulation of a CSI fed induction motor drive under normal and faulted conditions", IEEE Industrial on Industry Applications, Vol. 1 (a)-19, No. 2, March/April 1983.

75. Reeve, J., Kapoor, S.C., "Analysys of transient short circuit currents in hvdc power systems," IEEE Tran. Power Apparatus and Systems , Vol. 89, No. 4, April 1971, pp. 1174-1182.

76. Trutt F.C., Kohler J.L. "A Non-Iterative Approach to Mine Power-System Analysys". IEEE-IAS (IND. APPL. Soc.) 19th. Annu. Meet. Chicago, ILL, 30 Sept., 4 Oct., 1984, Conf. Rec.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки защиты от аварийных режимов шахтной электрической сети с переменной частотой и напряжением до 1000 В, обеспечивающей повышение безопасности и надежности эксплуатации электромеханических систем с частотно-регулируемым электроприводом.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований были получены следующие результаты и выводы:

1. Математическая модель для исследования переходных процессов при трехфазном и двухфазном коротком замыкании в участке кабельной шахтной сети с переменными частотой и напряжением между ПЧ и АД отличается учетом нелинейности магнитной цепи АД, параметров первичной сети до преобразователя и кабельной линии между АД и ПЧ, параметров ПЧ, ступенчатого характера изменения напряжения на выходе ПЧ.

2. Значения ударных аварийных токов до и после точки к.з. в кабельной линии, соединяющей ПЧ с АД , тормозного момента АД, с увеличением рабочей частоты ПЧ, предшествующей режиму к.з., увеличиваются в диапазоне относительных частот ПЧ от 0,1 до 1,0 и уменьшаются в диапазоне относительных частот ПЧ от 1,0 до 1,4.

3. С уменьшением длины кабельной линии от АД до места аварии возрастают значения ударных токов к.з. со стороны АД, тормозного момента двигателя и уменьшаются значения ударного тока к.з. со стороны ПЧ.

4. Длительность существования генераторного режима у АД при двухфазном к.з. в 1,8 раза ниже, чем при трехфазном к.з.

5. Сопоставление зависимостей ударного тока АД при к.з. в кабеле между ПЧ и АД от частоты на выходе ПЧ при различных параметрах кабельной сети, полученных экспериментальным путем, с расчетными зависимостями, полученными путем моделирования, показали, что их расхождение не превышает 10% при доверительной вероятности 0.9.

6. Предложены методы расчета переходных процессов трех-и двухфазного к.з. в кабельной сети между ПЧ и АД с помощью математической модели и комплекса алгоритмов и программ, позволяющие более точно рассчитать токи к.з., электромагнитный момент и время существования генераторного режима АД, которые могут быть использованы в проектных организациях.

7. Предложенный новый способ обнаружения к.з. в кабельной сети между ПЧ и АД, имеющий отечественный приоритет (пат. № 1427477, 1814138 СССР), отличается тем, что контролируются потоки энергии в ПЧ и АД в нормальном и аварийном режимах, и режим к.з. в кабельной сети определяется по факту перехода АД в генераторный режим и передачи энергии ПЧ также в место к.з.

8. Предложенный новый способ контроля целостности кабельной линии перед подключением ПЧ, имеющий отечественный приоритет ( пат. № 1742936 СССР), отличается тем, что с целью обеспечения надежной работы в частотно-регулируемом электроприводе горных машин, непосредственно перед включением тиристорного ПЧ осуществляется измерение входного сопротивления кабельной линии на высокой частоте.

9. Методы расчета разработанных устройств определения знака электромагнитной мощности асинхронного электродвигателя (патент № 1427477 СССР), узла контроля целостности кабельной линии (патент № 1742936 СССР) позволяют определить структуру и параметры данных устройств с заданными точностью и быстродействием.

1. Автономные инверторы с отделенными от нагрузки конденсаторами. Ситник Н.Х., Некрасов Л.Т., Беркович Е.И., Ягупов СМ. - М.: Энергия, 1968.

2. Аранчий Г.В., Жемеров Г.Г., Эпштейн И.И. Тиристорные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов.- М.: Энергия, 1968.

3. Бабокин Г.И., Шпрехер Д.М. Разработка устройства защиты от токов короткого замыкания в сети с переменной частотой. Тезисы докл. научно-практической конференции "Охрана труда в цветной металлургии", Челябинск, 1990, с. 31-32.

4. Болдырев В.И., Светличный П.Л., Гордиенко Ю.Д. Защита шахтных низковольтных сетей от токов короткого замыкания. - М.: Недра, 1974.

5. Бочаров Ю.И., Будченко М.И., Хамков Н.К. К анализу на АВМ частотно-регулируемого асинхронного электропривода. - Р.Ж. Электротехника, 1982, вып. 88, 7К88.

6. Бурков А.Т., Гусевский Ю.И. Анализ предаварийных состояний в тяговом автономном инверторе напряжения методом двух составляющих .-Р.Ж. Электротехника, 1986, вып. 4, 4Л77.

7. Бурков А.Т. Система защиты преобразователей частоты магистрального тепловоза с асинхронными электродвигателями.- Р.Ж. Электротехника, 1986, вып. 4, 4Л76.

8. Волощенко Н.И. Задачи электрификации угольной промышленности. Промышленная энергетика, 1977, № 8, с. 4 - б.

9. Гимоян Г.Г. Новая токовая защита трехфазных электродвигателей.- М.: Углетехиздат, 1958.

10. Гимоян Г.Г. Релейная защита горных электроустановок. - М.: Недра, 1972.

11. Гимоян Г.Г. Релейная защита горных электроустановок, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1978.

12. Гимоян Г.Г., Лейбов P.M. Релейная защита подземного электрооборудования и сетей. М.: Недра, 1977.

13. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1988.

14. Горошков Б.И. Элементы радио-электронных устройств. М., Радио и связь, 1988.

15. Дорогунцев В. Д. Элементы устройств автоматики энергосистем. М., Энергия, 1970.

16. Задорина Н.А., Литовченко В.В., Радионов Н.И. Расчет аварийных режимов в преобразователях частоты электровоза с асинхронными тяговыми двигателями.- Электротехническая промышленность, сер. Преобразовательная техника, 1981, вып. б (134).

17. Заика Э.И., Сакара Ю.Д. Улучшение качества переходного процесса при частотном ограничении токов короткого замыкания.- Р.Ж. Электротехника, 1982, вып.9, 9Ю46.

18. Захаров М.Ф. Тормозной режим при трехфазном коротком замыкании асинхронных короткозамкнутых двигателей небольшой мощности. -Изв. вузов. Энергетика, 1960, № 3.

19. Казовский Е.Я. Переходные режимы в асинхронной машине при включениях и коротких замыканиях.- Электричество, 1947, № б. 1 9 •-'

20. Кашицин Г.Е. Разработка требований безопасности к средствам защиты и норм безопасной эксплуатации горных машин и механизмов с тиристорным электроприводом.- Сборник рефератов НИР и ОКР, Б977517, 1982.

21. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока.- Л:, ГЭИ, 1963.

22. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин.- М:, Высшая школа, 1987.

23. Кочкарев Ю.А. Об использовании фазочувствительных схем запиты низковольтных кабельных сетей от металлических и дуговых коротких замыканий. В кн." Горная электротехника и автоматика и, Киев, 1967, № 8.

24. Красильников Н.Т., Петриченко В.Ф., Риман Я.С. О зоне действия защит, реагирующих на производные тока по времени.- Сб. Взрыво-безопасное электрооборудование.- М:, Энергия, 1971.

25. Лайон В. Анализ переходных процессов в электрических машинах переменного тока методом симметричных составляющих.- М.-Л:, Го-сэнегоиздат, 1958.

26. Леоненко С. Частотно-регулируемый электропривод горно-обогатительных предприятий.- Иркутск, Иркутский университет, 1988, с. 50-55.

27. Маркус Г.О., Мустафин Е.С. Исследование на ЭЦВМ динамики частотно-управляемого электропривода дымососа за металлургическими агрегатами.- Р.Ж. Электротехника, 1980, вып. 4, 4К124.

29. Пат. 555478 (СССР). Устройство для защиты от тока короткого замыкания в трехфазной сети. Авт. изобрет. Коваленко И.И., Ольховик Я J '/ Н.П., Ширина В.И. - заявл. 23.04.75. (2131099/07), опубл.Б.И., 1977,

30. Пат. 1427477 (СССР) . Трехфазная автономная сеть с защитой. Авт. изобретен. Бабокин Г. И., Щуцкий В.И., Шпрехер Д. М. -Заявл. 24.12.86 (4166868/24-07), опубл.Б.И. 1988, № 36.

31. Пат. 1173486 (СССР) . Устройство для защиты от короткого замыкания трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью и электродвигателем. Авт. изобретен. Кузнецов Р.С. - Заявл. 11.07.83 (3619893/24-07), опубл.Б.И. 1985, № 30.

32. Пат. 1742936 (СССР) . Трехфазная автономная сеть с защитой. Авт. изобретен. Бабокин Г.И., Щуцкий В.И., Колесников Е.Б., Шпрехер Д.М. - Заявл. 26.02.90 (4794906/07), опубл.Б.И. 1992, № 23.

33. Пат. 1814138 (СССР) . Трехфазная автономная сеть с защитой. Авт. изобретен. Шпрехер Д.М., Бабокин Г.И., Щуцкий В.И.- Заявл. 22.04.91 (4929922/07), опубл.Б.И. 1993, № 17.

34. Паперно Л.Б. Полупроводниковая защита трехфазных электроустановок. Рига, ЛатИНТИ, 1976.

35. Петров П.П. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей.- М:, Энергоиздат, 1981.

36. Петров И.И., Мейстель A.M. Специальные режимы работы асинхронного электропривода.- М:, Энергия, 1968.

37. Подземное электрооборудование за рубежом. Под общей редакцией Лейбова Р. М. Углетехиздат, М:, 1959.

38. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах.- М:, Недра, 1973.

39. Правила технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт.- М:, Недра, 1976.

40. Правила устройства электроустановок.- М:, Энергия, 1965.

41. Пуск частотно-регулируемого асинхронного электропривода при 24. различных состояниях силового фильтра статического преобразователя.-Аршинский В.М., Иоффе В.М., Леоненко С , Шемякин В. И. - Изв. вузов Горный журнал, 1976, № 9.

42. Риман Я.С. Исследование и разработка максимальной токовой защиты шахтных участковых сетей. Дисс. на соискан. уч. степей, канд. техн. наук. Донецк, 1965.

43. Риман Я.С. Защита подземных электрических установок угольных шахт.- М:, Недра, 1977.

44. Риман Я.С. Рудничные взрывобезопасные автоматические выключатели серии АВ. - Электротехническая промышленность, сер. АНН, 1978 № 3 (70), с 14 - 16.

45. Риман Я.С. Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания.- М:, Недра, 1985.

46. Савченко С П . Влияние процессов внутреннего короткого замыкания на токовую перегрузку преобразователя.- Электротехническая промышленность, сер. Преобразовательная техника, 1982, вып. 2 (139).

47. Сандлер А.С, Сарбатов Р.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями.- М:, Энергия, 1974.

49. Справочник по наладке электрооборудования промышленных предприятий. Под редакцией Земенкова М.Г., Розенберга Г.В., Феськова 2<>1 Е.М. - М:, Энергоатомиздат, 1983.

50. Технические требования к рудничному взрывозащищеиному электрооборудованию с силовыми полупроводниковыми приборами напряжением до 1140 В., ВОСТНИИ, Кемерово, 1988.

51. Темкина Р.В. Измерительные органы релейной защиты на интегральных микросхемах.- М:, Энергоатомиздат, 1985.

52. Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре.- М:, Радио и связь, 1982.

53. Шпрехер Д.М. Исследование защиты от коротких замыканий в сети с преобразователем частоты. Депонир. в ВИНИТИ, № 5, 1987.

54. Шубенко В.А. Торможение отключенного от сети асинхронного двигателя трехфазным коротким замыканием статорнои обмотки при неза-тухшем магнитном поле.- В кн. Труды УПИ, сб. 106.- Свердловск, I960.

55. Щуцкий В.И., Бабокин Г.И., Шпрехер Д.М. Зона действия защиты от коротких замыканий в сети с преобразователем частоты. Изв. вузов. Горный журнал, № б, 1988, с.9э-9Я.

57. Фабрикант В.Л. Основы теории построения измерительных органов релейной защиты.- М:, Высшая школы, 1968.

58. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем.- М:, Энергия 1976.

59. Фролкин В.Г. Быстродействующая защита шахтных участковых сетей. - М:, Недра, 1986.

60. Чувствительный орган для определения короткого замыкания в регулируемых трехфазных двигателях и их подводящих линиях. ЕПВ (ЕР), заявка № 0183108, И.СМ. № 4, 1987.

61. Электропривод ЭКТ2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ИАВК. 655427. 001ТО.

62. Bendl J., Schreier L. "Nesoumerne stavy sournerneho trod fa- zoveho asynchronniho stroje napajeneho z menice kmitoctu".Electro-technicky obzor, 73, 1984.

63. Bendl J., Schreier L. "Existence of unsymmetrical states in some working regimes of symmetrical three-phase induction machines fed from voltage frequency-converter" 21th. Conf. Electr. Mach. Des. and Appl. 17-19 Sept.,1985, pp. 163-167.

64. Gokul P, Sharaf A.M. "Computer digital simulation of variable-speed induction motor drives under fault conditions." Int. Conf. Evol. and Mod. Aspects Induct. March Turin, July 8-11, 1986, Proc.

65. Khuwatsamrit Т., Richard Smith "Chopper VVVF inverter ground fault analysis." IEEE-IAS (Ind. Apl. Soc.) 19th. Annu. Meet., Chicago,111., 30 Sept.,1984, pp. 642-648.

66. Krzysztov Pienkowski. "Analysis of the rotor field in high power induction motors after disconnection". Modelling, Simulation & Control, A, Vol. 11, No 1, 1987, pp. 49-62.

67. Lord H., Pearson F.K. "Digital phase sensitive short circuit fault protection of coal face electrical systems." 20 Int. Conf. Safety Mines Res. Inst. Summ. London, s.a., 78.

68. McMurray, W., "Hybryd simulation of a CSI fed induction motor drive under normal and faulted conditions", IEEE Industrial on Industry Applications, Vol. 1 (a)-19, No. 2, March/April 1983.

69. Reeve, J., Kapoor, S.C., "Analysys of transient short circuit currents in hvdc power systems," IEEE Tran. Power Apparatus and Systems , Vol. 89, No. 4, April 1971, pp. 1174-1182.

70. Trutt F.C., Kohler J.L. "A Non-Iterative Approach to Mine Power-System Analysys". IEEE-IAS (IND. APPL. Soc.) 19th. Annu. Meet. Chicago, ILL, 30 Sept., 4 Oct., 1984, Conf. Rec. 21Н